光电探测器

光电探测器能把光信号转换为电信号,在弱光信号探测,快速激光脉冲,激光光源的射频和脉冲波形提取,外差激光拍频信号探测有广泛应用。

光电探测器性能参数

更新日期:2021-05-01  关键字:光电探测器、光电效应、PIN、光电转化

一、简介

  光电探测器(photodetector)是一种直接或者间接把光辐射能量转化为电量的仪器设备。

光电子系统中,因为光波具有容量大、速度快、保密性抗干扰能力强等优点,常用光波调制使光载波携带信息。对于光辐射的探测也显得尤为重要。探测器把光辐射的能量变成其它能量形式(如电、热等)的信息,再通过对这些信息的测量实现对光辐射的探测。
从近代测量技术来看,电量测量不仅是最方便,而且是最精确的,所以大部分光探测器都是直接或间接把光辐射能量转化为电量,这种探测器称为光电探测器(photodetector)。

二、光电探测器的物理效应分类

光电探测的物理效应主要分为三类,其中光电效应应用得最为广泛
2.1光电效应:
入射光的光子与物质中的电子直接作用,改变电子的运动状态,产生载流子。
2.2光热效应:
光子不是直接与电子起作用,而是能量被固体晶格振动吸收,引起固体的温度升高,导致固体电学性质的改变。
2.3波相互作用效应:
激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应,包括非线性光学效应和超导量子效应。

光电探测器的光电效应分类

根据效应发生的部位和性质,分为: 外光电效应: 指发生在物质表面上的光电转化现象,主要包括光阴极直 接向外部发射电子的现象。典型的例子是物质表面的光电 发射。这种效应多发生于金属和金属物。 内光电效应: 指发生在物质内部的光电转化现象,特别是半导体内部载 流子光生效应。主要包括光电导效应、光生伏特效应、光 子牵引效应和光磁电效应等。这种效应多发生于半导体 内。

三、光电传感器的重要参数

表征光电探测器性能参数主要有:量子效率、响应度、频率响应、噪声和探测度等。其中量子效率和响应度表征了光电探测器将入射光转换成光电流本领的大小,频率响应表征了光电探测器工作速度的快慢,噪声和探测度表征了光电探测器所能探测到最小的入射光能量。

3.1、量子效率


η代表入射到探测器的单个光子所能产生的光电子数目

3.2、响应度/灵敏度

单位入射功率下探测器的输出信号(电压或电流),通常情况下,灵敏度和响应度不做区分。

响应度:输出信号电压与输入光功率之比,单位为V/W,或者用光度学表示时,可表示探测器的输出信号电压与输入照度之比,单位为V/lx。​
灵敏度(Sλ):输出信号电流与输入光功率之比,单位为A/W,或者用光度学表示时,可表示为探测器输出电流与输入照度之比,单位为A/lx。​​


3.3、光谱响应度


单位光功率单色光照射下探测器的输出信号(电压或电流)

光谱响应

光谱相应度随波长λ的变化关系称为光谱响应

响应速度

探测器将入射辐射能转变为电压或者电流的豫驰时间,通常用上升时间和下降时间表征。


3.4、探测度D


探测器探测能力的指标,D越大,噪声等效功率越小,探测器性能越好


3.5、时间常数

探测器的惰性:当入射光功率发生突然变化时(如开始或停止照射),光电探测器的输出总不能完全跟随输入而变化。通常用时间常数 来衡量

在阶跃输入光功率条件下,光电探测器输出电流 为


3.6、频率响应

——探测器的响应度随入射光调制频率的变化特征
多数探测器的响应度与调制频率的关系为

3.7、光电传感器的噪声

光电传感器的噪声是什么?探测器在完成光电转化过程中,不仅给出表征被测对象的电压、电流信号,同时也伴随着无用噪声的电压、电流信号,这是一种起伏信号,其大小决定了探测器的探测能力。该值越小意味着干扰越小,光电探测器的性能越好。光电探测器的噪声包括:暗电流噪声,散粒噪声等等。

暗电流噪声
来源:探测器接入电路后由于热电子发射、场致发射或半导体中晶格热振动所激发出来的载流子产生的电流,与外来光照射无关。

散粒噪声
来源:电子或光生载流子的粒子性
例如:光电子发射探测器中,即使入射光平均辐射强度不变,
发射的光电子数也总是围绕一个统计平均值做无规则伏。内光电探测器中,光生载流子的产生和复合的随机性,通过PN结的载流数总有微小的不规则起伏。

四、光电探测器的应用

光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等; 在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。


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