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Ri 和积分电压灵敏度Ru 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。

线性区域Ri=didP=iP(线性区域)(A/W)

线性区域Ru=dudP=uP(线性区域)(A/W)

2. 光谱灵敏度Rλ

    光功率谱密度 Pλ  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iλ  ，于是光谱灵敏度Rλ 定义为

Rλ=diλdPλ

Rλ 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Sλ 定义为

Sλ=RλRλm

式(2)中，Rλm 是指Rλ 的最大值，Sλ 为无量纲百分数，Sλ 随λ变化的曲线称为光谱灵敏度曲线。

3. 频率灵敏度Rf

       如果入射光是调制的，其他条件不变的情况下，光电流if 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Sf ，表示为

Rf=ifP

if=i(f=0)1+(2πfτ)2

式(5)中，τ 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：

Rf=R01+(2πfτ)2

式(6)体现了光电探测器的频率特性，Rf 随f 的升高而下降的速度与τ 的大小有关。一般情况下Rf 下降到R0/2 时的频率fc 称为探测器的截止响应频率或响应频率，当f

fc=12πτ

二、量子效率η

       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

η=Ic/eP/hν

式(8)中，P 是入射到探测器上的光功率，Ic 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，Ic/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：

η=hνeRi

ηλ=hceλRiλ

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in=(in2¯)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Ps 和Pb 分别为信号和背景光功率，即使Ps 和Pb 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is 等于噪声电流in ，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Pth 为

Pth=inRi (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

电流信噪比SNR=isin (电流信噪比)

电压信噪比SNR=usun (电压信噪比)

由式(11)和式(12)可得，

NEP=Pth=Ps∣SNRi=1=Ps∣SNRu=1(W)

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=1NEP (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Δf 对D 值有很大影响。一方面，探测器的噪声功率N∝Δf ，所以in∝Δf1/2 ，于是由D 的定义知D∝Δf−1/2 ；另一方面，探测器的噪声功率N∝A ，所以in∝A1/2 ，于是D∝A−1/2 。为了消除这一影响，提出了归一化探测度D∗ 。

D∗=DA∙Δf(cm∙Hz12/W)

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λ 、光辐射调制频率f 、及测量带宽Δf ，即D∗(λ,f,Δf) 。

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=20lg⁡|AudAuc|(dB)

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。