光电探测器性能参数

一、灵敏度

1. 积分灵敏度R（响应度）

       灵敏度也常称作响应度，是光电探测器光电转换特性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。光电流\( i \) (或光电压\( u \) )和入射光功率\( P \) 之间的关系\( i＝f(P) \) ，称为探测器的光电特性。积分电流灵敏度\( R_i \) 和积分电压灵敏度\( R_u \) 如式(1)所示，式中光功率\( P \) 指分布在某一光谱范围内的总功率。

\( R_i=\frac{di}{dP}=\frac{i}{P} \left (线性区域\right ) \left (A/W \right ) \)

\( \\ R_u=\frac{du}{dP}=\frac{u}{P}(线性区域) \left (A/W \right ) \tag{1} \)

2. 光谱灵敏度\( R_\lambda \)

    光功率谱密度\( \ P_\lambda \ \) 由于光电探测器的光谱选择性，在其它条件下不变的情况下，光电流将是光波长的函数，记为\( i _\lambda \ \) ，于是光谱灵敏度\( R_\lambda \) 定义为

\( R_\lambda=\frac{{di}_\lambda}{dP_\lambda} \tag{2} \)

\( R_\lambda \) 是常数时，相应探测器称为无选择性探测器（如光热探测器），光子探测器则是选择性探测器。式(2)的定义很难测量，通常给出的是相对光谱灵敏度\( S_\lambda \) 定义为

\( S_\lambda=\frac{R_\lambda}{R_{\lambda m}} \tag{3} \)

式(2)中，\( R_{\lambda m} \) 是指\( R_{\lambda } \) 的最大值，\( S_\lambda \) 为无量纲百分数，\( S_\lambda \) 随λ变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。

3. 频率灵敏度\( R_f \)

       如果入射光是调制的，其他条件不变的情况下，光电流\( i_f \) 随调制频率\( f \) 的升高而下降，这时的灵敏度称为频率灵敏度\( S_f \) ，表示为

\( R_f=\frac{i_f}{P}\tag{4} \)

\( i_f=\frac{i(f=0)}{\sqrt{1+{(2\pi f\tau)}^2}}\tag{5} \)

式(5)中，\( \tau \) 为探测器的响应时间或时间常数，由材料、结构和外电路决定，将式(5)带入式(4)得：

\( R_f=\frac{R_0}{\sqrt{1+{(2\pi f\tau)}^2}} \tag{6} \)

式(6)体现了光电探测器的频率特性，\( R_f \) 随\( f \) 的升高而下降的速度与\( \tau \) 的大小有关。一般情况下\( R_f \) 下降到\( R_0/\sqrt 2 \) 时的频率\( f _c \) 称为探测器的截止响应频率或响应频率，当\( f < f _c \) 时，认为光电流能线性再现光功率变化。

\( f_c=\frac{1}{2\pi\tau} \tag {7} \)

二、量子效率\( \eta \)

       量子效率是指每个入射光子释放的平均电子数，它与入射光子能量有关。对于内光电效应，量子效率还与材料内电子的扩散长度有关。对于外光电效应与材料表面逸出功有关，其表达式为

\( \eta=\frac{I_c/e}{P/h\nu}\tag {8} \)

式(8)中，\( P \) 是入射到探测器上的光功率，\( I_c \) 是入射光产生的平均光电流大小，\( P/hv \) 是单位时间内入射的光子平均数，\( I_c /e \) 是单位时间产生的光电子平均数，\( e \) 是电子电荷。

将量子效率和灵敏度联系起来，可得：

\( \eta=\frac{h\nu}{e}R_i\tag {9} \)

\( \eta_\lambda=\frac{hc}{e\lambda}R_{i\lambda} \tag {10} \)

三、通量阈（Pth）和噪声等效功率（NEP）

       从灵敏度R的定义式(1)可见，如果\( P=0 \) 应有\( i=0 \) 。实际情况是，当\( P=0 \) 时，光电探测器的输出电流并不为0。这个电流称为暗电流或噪声电流，记为\( i_n=(\overline{i_n^2})^{1/2} \) ，它是瞬时噪声电流的有效值。显然，这时灵敏度\( R \) 已失去意义，我们必须定义一个新参量来描述光电探测器的这种特性。

       通常光功率\( P_s \) 和\( P_b \) 分别为信号和背景光功率，即使\( P_s \) 和\( P_b \) 都为0,也会有噪声输出，噪声的存在限制了探测微弱信号的能力。通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流\( i _s \) 等于噪声电流\( i _n \) ，那么认为刚刚能探测到光信号存在。依照这一判据，定义探测器的通量阈\( P_{th } \) 为

\( P_{th}=\frac{i_n}{R_i}\ (W) \tag {11} \)

       同一个问题，还有另一种更通用的表述方法，这就是噪声等效功率NEP。它定义为单位信噪比时的信号光功率。信噪比SNR定义为

\( SNR=\frac{i_s}{i_n}\ (电流信噪比) \)

\( SNR=\frac{u_s}{u_n}\ (电压信噪比) \tag {12} \)

由式(11)和式(12)可得，

\( NEP=P_{th}=P_s\mid _{{SNR}_i=1 }= P_s\mid _{{SNR}_u=1 }\left ( W\right ) \tag {13} \)

所以，通量阈或者噪声等效功率越小表面探测器探测微弱信号的能力越强。

四、归一化探测度(D*)

       NEP越小,探测器探测能力越高，这不符合人们“越大越好”的习惯，于是取NEP的倒数并定义为探测度\( D \) ，即

\( D=\frac{1}{NEP}\ (W^{-1}) \tag {14} \)

       实际使用中，经常需要在同类型的不同探测器之间进行比较，发现“\( D \) 值大的探测器其探测力一定好”的结论并不充分。究其原因,主要是因为探测器光敏面积\( A \) 和测量带宽\( \Delta f \) 对\( D \) 值有很大影响。一方面，探测器的噪声功率\( N \propto \Delta f \) ，所以\( i_n \propto \Delta f ^{1/2} \) ，于是由\( D \) 的定义知\( D \propto \Delta f ^{-1/2} \) ；另一方面，探测器的噪声功率\( N \propto A \) ，所以\( i_n \propto A ^{1/2} \) ，于是\( D \propto A ^{-1/2} \) 。为了消除这一影响，提出了归一化探测度\( D^* \) 。

\( D^\ast=D\sqrt {A∙\Delta f }(cm∙Hz^{\frac{1}{2}}/W) \tag {15} \)

这时就可以说，\( D^* \) 大的探测器其探测能力一定好。考虑到光谱的响应特性，一般给出\( D^* \) 值时注明响应波长\( \lambda \) 、光辐射调制频率\( f \) 、及测量带宽\( \Delta f \) ，即\( D^*{\left ( \lambda ,f,\Delta f \right )} \) 。

五、共模抑制比（CMRR）

       共模抑制比CMRR是平衡光电探测器的一个重要参数，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数\( Aud \) 与对共模信号的电压放大倍数\( Auc \) 之比，可以表征探测器放大差模信号且抑制共模信号的能力。

\( CMRR=20\lg|\frac{Aud}{Auc}|\left (dB \right ) \tag {16} \)

六、其他参数

       光电探测器还有其他一些特性参数，在使用时必须注意，例如光敏面积，探测器电阻，电容等。特别是极限工作条件通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围，正常使用时都不允许超过这些指标,否则会影响探测器的正常工作,甚至使探测器损坏。