光電探測器性能參數(shù)

更新日期：2021-05-01  關(guān)鍵字：光電探測器、光電效應(yīng)、PIN、光電轉(zhuǎn)化

一、簡介

  光電探測器（photodetector)是一種直接或者間接把光輻射能量轉(zhuǎn)化為電量的儀器設(shè)備。

光電子系統(tǒng)中，因?yàn)楣獠ň哂腥萘看?、速度快、保密性抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，常用光波調(diào)制使光載波攜帶信息。對于光輻射的探測也顯得尤為重要。探測器把光輻射的能量變成其它能量形式（如電、熱等）的信息，再通過對這些信息的測量實(shí)現(xiàn)對光輻射的探測。
從近代測量技術(shù)來看，電量測量不僅是最方便，而且是最精確的，所以大部分光探測器都是直接或間接把光輻射能量轉(zhuǎn)化為電量，這種探測器稱為光電探測器（photodetector)。

二、光電探測器的物理效應(yīng)分類

光電探測的物理效應(yīng)主要分為三類，其中光電效應(yīng)應(yīng)用得最為廣泛
2.1光電效應(yīng)：
入射光的光子與物質(zhì)中的電子直接作用，改變電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生載流子。
2.2光熱效應(yīng)：
光子不是直接與電子起作用，而是能量被固體晶格振動(dòng)吸收，引起固體的溫度升高，導(dǎo)致固體電學(xué)性質(zhì)的改變。
2.3波相互作用效應(yīng)：
激光與某些敏感材料相互作用過程中產(chǎn)生的一些參量效應(yīng)，包括非線性光學(xué)效應(yīng)和超導(dǎo)量子效應(yīng)。

光電探測器的光電效應(yīng)分類

根據(jù)效應(yīng)發(fā)生的部位和性質(zhì)，分為： 外光電效應(yīng)： 指發(fā)生在物質(zhì)表面上的光電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，主要包括光陰極直 接向外部發(fā)射電子的現(xiàn)象。典型的例子是物質(zhì)表面的光電 發(fā)射。這種效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬物。 內(nèi)光電效應(yīng)： 指發(fā)生在物質(zhì)內(nèi)部的光電轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，特別是半導(dǎo)體內(nèi)部載 流子光生效應(yīng)。主要包括光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)、光 子牽引效應(yīng)和光磁電效應(yīng)等。這種效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體 內(nèi)。

三、光電傳感器的重要參數(shù)

表征光電探測器性能參數(shù)主要有：量子效率、響應(yīng)度、頻率響應(yīng)、噪聲和探測度等。其中量子效率和響應(yīng)度表征了光電探測器將入射光轉(zhuǎn)換成光電流本領(lǐng)的大小，頻率響應(yīng)表征了光電探測器工作速度的快慢，噪聲和探測度表征了光電探測器所能探測到最小的入射光能量。

3.1、量子效率

η代表入射到探測器的單個(gè)光子所能產(chǎn)生的光電子數(shù)目

3.2、響應(yīng)度/靈敏度

單位入射功率下探測器的輸出信號（電壓或電流），通常情況下，靈敏度和響應(yīng)度不做區(qū)分。

響應(yīng)度：輸出信號電壓與輸入光功率之比，單位為V/W，或者用光度學(xué)表示時(shí)，可表示探測器的輸出信號電壓與輸入照度之比，單位為V/lx。?
靈敏度（Sλ）：輸出信號電流與輸入光功率之比，單位為A/W，或者用光度學(xué)表示時(shí)，可表示為探測器輸出電流與輸入照度之比，單位為A/lx。??

3.3、光譜響應(yīng)度

單位光功率單色光照射下探測器的輸出信號（電壓或電流）

光譜響應(yīng)

光譜相應(yīng)度隨波長λ的變化關(guān)系稱為光譜響應(yīng)

響應(yīng)速度

探測器將入射輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯蛘唠娏鞯脑ヱY時(shí)間，通常用上升時(shí)間和下降時(shí)間表征。

3.4、探測度D

探測器探測能力的指標(biāo)，D越大，噪聲等效功率越小，探測器性能越好

3.5、時(shí)間常數(shù)

探測器的惰性：當(dāng)入射光功率發(fā)生突然變化時(shí)（如開始或停止照射），光電探測器的輸出總不能完全跟隨輸入而變化。通常用時(shí)間常數(shù) 來衡量

在階躍輸入光功率條件下，光電探測器輸出電流 為

3.6、頻率響應(yīng)

——探測器的響應(yīng)度隨入射光調(diào)制頻率的變化特征
多數(shù)探測器的響應(yīng)度與調(diào)制頻率的關(guān)系為

3.7、光電傳感器的噪聲

光電傳感器的噪聲是什么？探測器在完成光電轉(zhuǎn)化過程中，不僅給出表征被測對象的電壓、電流信號，同時(shí)也伴隨著無用噪聲的電壓、電流信號，這是一種起伏信號，其大小決定了探測器的探測能力。該值越小意味著干擾越小，光電探測器的性能越好。光電探測器的噪聲包括：暗電流噪聲，散粒噪聲等等。

暗電流噪聲
來源：探測器接入電路后由于熱電子發(fā)射、場致發(fā)射或半導(dǎo)體中晶格熱振動(dòng)所激發(fā)出來的載流子產(chǎn)生的電流，與外來光照射無關(guān)。

散粒噪聲
來源：電子或光生載流子的粒子性
例如：光電子發(fā)射探測器中，即使入射光平均輻射強(qiáng)度不變，
發(fā)射的光電子數(shù)也總是圍繞一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值做無規(guī)則伏。內(nèi)光電探測器中，光生載流子的產(chǎn)生和復(fù)合的隨機(jī)性，通過PN結(jié)的載流數(shù)總有微小的不規(guī)則起伏。

四、光電探測器的應(yīng)用

光電探測器在軍事和國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業(yè)自動(dòng)控制、光度計(jì)量等; 在紅外波段主要用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、紅外熱成像、紅外遙感等方面。