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。

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

${R}_u=\frac{du}{dP}=\frac{u}{P}(线性区域)\left(A/W\right)$

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

$R_{\lambda }=\frac{{di}_{\lambda }}{d{P}_{\lambda }}$

$R_{\lambda }$ 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

$S_{\lambda }=\frac{R_{\lambda }}{R_{\lambda m}}$

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

$R_f=\frac{i_f}{P}$

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

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：

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

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。

$f_c=\frac{1}{2\pi \tau }$

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

$\eta =\frac{I_c/e}{P/h\nu }$

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：

$\eta =\frac{h\nu }{e}{R}_i$

${\eta }_{\lambda }=\frac{hc}{e\lambda }{R}_{i\lambda }$

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

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

       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

$SNR=\frac{i_s}{i_n}(电流信噪比)$

$SNR=\frac{u_s}{u_n}(电压信噪比)$

由式(11)和式(12)可得，

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

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

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

       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$\mathrm{\Delta }f$ 对$D$ 值有很大影响。一方面，探测器的噪声功率$N\propto \mathrm{\Delta }f$ ，所以$i_n\propto \mathrm{\Delta }{f}^{1/2}$ ，于是由$D$ 的定义知$D\propto \mathrm{\Delta }{f}^{-1/2}$ ；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$D^{\ast }$ 。

$D^{\ast }=D\sqrt{A\bullet \mathrm{\Delta }f}(cm\bullet H{z}^{\frac{1}{2}}/W)$

这时就可以说，$D^{\ast }$ 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$D^{\ast }$ 值时注明响应波长$\lambda$ 、光辐射调制频率$f$ 、及测量带宽$\mathrm{\Delta }f$ ，即$D^{\ast }(\lambda ,f,\mathrm{\Delta }f)$ 。

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。

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

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。