光电检测器件的特性参数

光电检测器件的技术参数对光电检测系统的性能有很大影响。

2.2.1 光电检测器件的噪声

1.噪声的概念

光电检测器件是基于光电效应而工作的，它们能够在一定功率的光照下输出一定的光电流或光电压信号。光电检测器件输出的光电信号并不是平坦的，其幅值总是在平均值上下随机地起伏，这种随机的、瞬间的幅度不能预先知道的起伏称为噪声。光电流或光电压的大小实际上反映的是在一定时间间隔内的平均值，即光电流或光电压的直流信号值

由于噪声值的大小是在平均值附近随机起伏的，其长时间的平均值为零，所以一般用均方噪声来表示噪声值的大小：

噪声电流的均方值和噪声电压的均方值代表了单位电阻上所产生的功率，它们是实际可测得的，是确定的正值。当光电探测器中存在多个噪声源时，只要这些噪声是相互独立的，其噪声功率就可以进行相加，即有

通常把噪声功率这个随机的时间函数进行傅里叶频谱分析，得到噪声功率随频率的变化关系，这就是噪声的功率谱S（f）。S（f）的数值为频率为f的噪声在1Ω电阻上所产生的功率，即

根据噪声的功率谱与频率的关系，常见的有两种典型情况（见图2－1）：一种是功率谱大小与频率无关的噪声，通常称为白噪声；另一种是功率谱与1／f成正比的噪声，称为1／f噪声。

图2－1 白噪声和1／f噪声

一般光电测量系统的噪声可分成三类。

①光子噪声，包括信号辐射产生的噪声和背景辐射产生的噪声。

②探测器噪声，包括热噪声、散粒噪声、产生－复合噪声、1／f噪声、温度噪声。

③信号放大及处理电路产生的噪声。

2.光电检测器件中常见的几种噪声

下面为光电检测器件中常见的几种噪声。

1）热噪声

热噪声为载流子无规则的热运动造成的噪声。热噪声存在于任何导体和半导体中。因为导体和半导体中的载流子在一定温度下作无规则的热运动，载流子的热运动方向可以沿任何方向，同时，载流子在作热运动时将频繁地与原子碰撞而改变运动方向，载流子在两次碰撞之间的自由运动过程中表现出电流，但由于它们的路程长短是不一定的，碰撞后的方向也是任意的，所以，在没有外加电压时，从导体中某一截面看，往左和往右两个方向上都有一定数量的载流子穿过截面，其长时间的平均值是相同的，导体中不出现净电流。但是每一瞬间两个方向上穿过某截面的载流子数目是在平均值上下有起伏的。这种载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏称为热噪声（又称Johnson噪声）。热噪声均方电流和热噪声均方电压分别由以下两式决定：

式中：k为玻尔兹曼常数；T为温度（K）；R为器件电阻值；Δf为所取的通带宽度（频率范围）。

由式（2－5）、式（2－6）可见，热噪声与温度成正比，而与频率无关。在温度一定时，热噪声只与电阻和带宽有关，故热噪声又称电阻噪声，也属于白噪声。因此，所取的带宽愈大，噪声功率也愈大。当然并不是带宽无限增大，噪声功率也会无限增大。在常温下，式（2－5）、式（2－6）适合于1012Hz频率以下范围。频率再高时，该公式就要修正，噪声的功率谱随频率的增加急剧减小。目前的电子技术难以处理这样高的频率，因此可不予考虑。

2）散粒噪声

散粒噪声所呈现的起伏就像射出的散粒无规则地落在靶上所呈现出的一样（每一瞬间到达靶上的值有多大是完全独立的事件），这种随机起伏所形成的噪声称为散粒噪声。例如，在光电管中光电子从阴极表面的随机逸出、PN结中载流子随机通过结区的运动，都是散粒噪声源。此外，入射到光电检测器件表面的光子数是随机起伏的，经某些器件光电转换后也表现为散粒噪声。散粒噪声的表达式为

式中：e为电子电荷；I为器件输出平均电流；Δf为所取的带宽。

由式（2－7）可见，散粒噪声也是与频率无关、与带宽有关的白噪声。

3）产生－复合噪声

在半导体中，在一定温度下，或者在一定的光照下，载流子不断地产生－复合。在平衡状态时，载流子产生和复合的平均数是一定的，但其瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的，载流子浓度的起伏引起半导体的电导率起伏。在外加电压下，电导率的起伏使输出电流中带有产生－复合噪声。产生－复合噪声电流的均方值为

式中：I为总的平均电流；N0为总的自由载流子数；τ为载流子寿命；f为噪声的频率。对于光电导器件，光子噪声表现为产生－复合噪声。

4）1／f噪声

几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1k Hz以下的低频范围内，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声或1／f噪声。探测器表面的工艺状态（缺陷或不均匀）对这种噪声的影响很大，所以有时也称为表面噪声或过剩噪声。1／f噪声电流的均方值近似表示为

式中：α接近于2；β在0.8～1.5之间；c为比例常数。α、β、c值均由实验测得。在半导体器件中， 1／f噪声与器件表面状态有关，它在半导体光电器件和晶体管中都存在。在碳质电阻中与工艺有关。多数器件的1／f噪声在200Hz～300Hz以上已衰减至很低水平，所以可忽略不计。

5）温度噪声

在热噪声中，不是由于辐射信号的变化，而是由于器件本身吸收和传导等的热交换引起的温度起伏称为温度噪声。温度起伏的均方值为

式中：Gt为器件的热导；τt为器件的热时间常数，τt＝Ct／Gt，其中Ct为器件的热容；T为环境温度（K）。

在低频时，（2πfτt）2≪1，则式（2－10）可简化为

低频温度噪声也具有白噪声的性质。

3.噪声源的功率谱分布

在实际的光辐射探测器中，由于光电转换机理的不同，上述各种噪声的作用大小亦各不相同。上述各种噪声源的功率谱分布可用图2－2表示。由图可见：在频率很低时，1／f噪声起主导作用；当频率达到中间频率范围时，产生－复合噪声比较显著；当频率较高时，只有白噪声占主导地位，其他噪声的影响很小。

图2－2 光电探测器噪声功率谱综合示意图

上述各噪声表达式中的Δf是等效噪声带宽，简称为噪声带宽。若光电系统中的放大器或网络的功率增益为A（f），功率增益的最大值为Am，则噪声带宽为

从而可求得通频带内的噪声。

2.2.2 光电检测器件的特性参数

为了评价各种光电检测器件性能的优劣，比较不同光电检测器件之间的差异，从而达到根据需要合理选择和正确使用光电检测器件的目的，就需要了解光电检测器件的各种特性参数。

1.响应度

响应度（或称灵敏度）是光电检测器件输出信号与输入辐射功率之间的关系的度量，它描述的是光电检测器件的光－电转换效能。响应度定义为光电检测器的输出电压Uo或输出电流Io与入射光功率P（或通量Φ）之比，即

式中：SV和SI分别称为电压响应度和电流响应度。由于光电检测器件的响应度随入射光的波长而变化，因此又有光谱响应度和积分响应度。

1）光谱响应度

光谱响应度S（λ）是光电检测器件的输出电压或输出电流与入射到检测器上的单色辐通量（光通量）之比，即

式中：SV（λ）、SI（λ）为光谱响应度；Φ（λ）为入射的单色辐通量或光通量。

光谱响应度反映了入射的单色辐通量或光通量所产生的检测器件的输出电压（或电流）的大小，其值愈大，说明检测器件愈灵敏。

2）积分响应度

积分响应度表示检测器件对各种波长的辐射光连续辐射通量的反应灵敏程度。

对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为

光电检测器件输出的电流或电压与入射光通量之比称为积分响应度。由于光电检测器件输出的光电流是由不同波长的光辐射引起的，所以输出光电流应为

式中：λ0、λ1分别为光电检测器件的长波限和短波限。

由式（2－15）、式（2－16），可得积分响应度为

由于采用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源所发出的光谱分布也不同，因此提供数据时应指明所采用的辐射源及其色温。

2.响应时间

响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的一个参数。在入射辐射到达光电检测器件后或入射辐射被遮断后，光电检测器件的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。为衡量其长短，常用时间常数τ来表示。当用一个辐射脉冲照射光电检测器件时，光电检测器件的输出由于器件的惰性而有延迟，通常把输出值从原值的10％上升到90％峰值处所需的时间称为检测器的上升时间（用tr表示），而把输出值从原值的90％下降到10％处所需的时间称为下降时间（用tf表示），如图2－3所示。

图2－3 辐射脉冲和响应时间

3.频率响应

光电检测器件信号的产生和消失存在一个滞后过程，所以，入射辐射的频率对光电检测器件的响应会有较大影响。光电检测器件的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。光电检测器件的响应度与入射调制频率的关系表达式为

式中：S（f）为频率为f时的响应度；S0为频率为零（静态）时的响应度；τ为时间常数，τ＝RC。

当＝0.707时，可得放大器的上限截止频率（见图2－4）为

图2－4 光电检测器件的频率响应

显然，时间常数决定了光电检测器件频率响应的带宽。

4.信噪比

信噪比（SNR）是判断噪声大小的参数。它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即

若用分贝（dB）表示，则为

利用SNR评价两种光电器件的性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能进行比较。对于单个光电器件，其SNR的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关；如果入射辐射强，接收面积大，SNR就大，但性能不一定就好。因此，用SNR来评价光电器件有一定的局限性。

5.线性度

线性度是描述光电检测器件的输出信号与输入信号保持线性关系的程度，即光电检测器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度。如果在某一规定的范围内光电检测器件的响应度是常数，则这一范围为线性区。

光电检测器件线性区的大小与检测器件后面的电子线路有很大关系。因此，要获得所需要的线性区，必须设计相应的后续电子线路。线性区的下限通常由光电器件的暗电流和噪声等因素决定，而上限则由饱和效应或过载决定。光电检测器件的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。

线性度通常用非线性误差δ来度量：

式中：Δmax为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；I1、I2分别为线性区中的最小和最大响应值。

6.工作温度

光电检测器件在不同工作温度时其工作性能会有所变化，例如，HgCdTe（碲镉汞）检测器在低温（77K）工作时有比较高的信噪比，而锗掺铜光电导器件在4K左右时有较高的信噪比，但如果工作温度升高，它们的性能会逐渐变差，以至无法使用。对于热电检测器件，工作温度变化会使响应度和热噪声发生变化。所以，光电检测器件的工作温度就是最佳工作状态时的温度，它是光电检测器件的一个重要性能参数。

7.量子效率

响应度S是从宏观角度来描述光电检测器件的光电、光谱以及频率特性，而量子效率η则是对同一个问题的微观－宏观描述。量子效率表示光电检测器件中激发的电子数与吸收的光子数之比。量子效率的表达式为

式中：hν为光子能量，其中h为普朗克常量，ν为光子的频率；SI为电流响应度。

光谱量子效率

式中：c为材料中的光速；SI（λ）为光谱响应度。可见，量子效率与光谱响应度成正比，与波长成反比。

8.噪声等效功率

噪声等效功率（NEP）实际上就是光电检测器件的最小可探测功率Pmin。它定义为信号功率与噪声功率之比为1（即SNR＝1）时，入射到光电检测器件上的辐射通量（单位为瓦）。即

显然，NEP越小，表明探测器探测微弱信号的能力越强。所以NEP是描述光电探测器探测能力的参数。一般，一个良好的光电检测器件的NEP约为10－11W。

9.归一化探测度

NEP越小，光电检测器件的探测能力越强，这不符合人们觉得“越大越好”的判断习惯，于是取NEP的倒数并定义为探测度D，即

D＝1／NEP 　（2－26）

这样，D值大的光电检测器件，其探测能力就高。为了在不同带宽内对测得的不同光敏面积的光电检测器件进行比较，使用了归一化探测度这一参数。其表达式为

式中：A为光敏面积；Δf为测量带宽。D＊的单位是cm·Hz1／2／W。光电检测器件的D＊值越大，其探测能力越好。考虑到光谱的响应特性，一般给出D＊值时应注明响应波长λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf。