光電檢測(cè)器件的工作原理及特性

第二章光電檢測(cè)器件的工作原理及特性2.1光電檢測(cè)的物理基礎(chǔ)2.2光電檢測(cè)器件的特性參數(shù)：響應(yīng)特性，噪聲特性，線性度及溫度特性2.1光電檢測(cè)的物理基礎(chǔ)概述

光電接收器件是能對(duì)光信號(hào)的變化做出迅速反應(yīng)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的器件。從原理上講，光信號(hào)具有粒子性，由光子組成，具有一定的能量，也可以說(shuō)光電接收器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置，又稱為光電式傳感器。在光電檢測(cè)系統(tǒng)中，它占有重要的地位。它的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)波長(zhǎng)等特性參數(shù)直接影響光電檢測(cè)系統(tǒng)的總體性能。根據(jù)光子與物質(zhì)中的微粒產(chǎn)生相互作用，在探測(cè)器上所產(chǎn)生的物理效應(yīng)：光電檢測(cè)器件物理基礎(chǔ)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光磁電效應(yīng)光子牽引效應(yīng)光熱效應(yīng)熱釋電效應(yīng)輻射熱計(jì)效應(yīng)溫差電效應(yīng)光壓效應(yīng)1光電效應(yīng)因光照而引起的物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。三個(gè)要點(diǎn)：原因：輻射，不是升溫；現(xiàn)象：電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化；結(jié)果：電導(dǎo)率變化、光伏特性、光電子發(fā)射。特點(diǎn)：1）光電效應(yīng)對(duì)光波長(zhǎng)（頻率）表現(xiàn)出選擇性；2）光子直接與電子作用，響應(yīng)速度比較快；3）根據(jù)是否發(fā)射電子，分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。1.外光電效應(yīng)金屬或半導(dǎo)體受光照時(shí)，如果入射的光子能量hν足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，即為外光電效應(yīng)。它是真空光電器件光電陰極的物理基礎(chǔ)。注：1）光子能量大于禁帶寬度；2）在材料表面有電子的逸出。兩個(gè)基本定律：1）光電發(fā)射第一定律當(dāng)照射到光陰極上的入射光頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流(級(jí)單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)目)與入射光強(qiáng)度成正比。2）光電發(fā)射第二定律光電子的最大初動(dòng)能與入射光的頻率呈正比，而與入射光強(qiáng)度無(wú)關(guān)：光hν光電子光入射到物體表面，電子脫離原子核束縛，逸出物體表面弧光燈照射鋅板，鋅板表面有電子逸出，電子沿導(dǎo)線出道驗(yàn)電器光電發(fā)射大致可分三個(gè)過(guò)程：1）金屬或半導(dǎo)體的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到能量高于真空能級(jí)的激發(fā)態(tài)。2）受激電子從受激地點(diǎn)出發(fā)，在向表面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中免不了要同其他電子或晶格發(fā)生碰撞，而失去一部分能量。3）到達(dá)表面的電子，如果仍有足夠能量足以克服表面勢(shì)壘對(duì)電子的束縛(即逸出功)，即可從表面逸出。例如：光電管，光電倍增管，像增強(qiáng)管均是外光電發(fā)射器件。光電發(fā)射器件：利用外光電發(fā)射材料制成的光電探測(cè)器外光電發(fā)射器件特點(diǎn)：1）外光電效應(yīng)發(fā)射的電子可以在真空中經(jīng)過(guò)電場(chǎng)加速，并可以通過(guò)電子倍增系統(tǒng)提高光電探測(cè)靈敏度；2）很容易制造出均勻的大面積光電發(fā)射器件，在光電成像方面非常有利；一般光電成像器件的空間分辨率高于半導(dǎo)體成像器件；3）光電發(fā)射器件需高壓直流設(shè)備，功耗大，體積大，造價(jià)高；4）光電發(fā)射器件的光譜響應(yīng)范圍不如一般半導(dǎo)體光電器件寬。2.內(nèi)光電效應(yīng)受到光照后物質(zhì)內(nèi)部電子能量狀態(tài)發(fā)生變化，但不存在表面發(fā)射電子的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光磁電效應(yīng)光子牽引效應(yīng)1）、光電導(dǎo)效應(yīng)物體受到光照后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使物體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征型和雜質(zhì)型兩類。利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件主要是光敏電阻。光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的體效應(yīng)。若取材料樣品如圖所示，樣品兩端敷有電極，沿電極方向加有電場(chǎng)，當(dāng)在垂直于電極方向有均勻光照入射到樣品表面，且入射光通量恒定時(shí)，樣品中流出的光電流稱為穩(wěn)態(tài)光電流。本征和雜質(zhì)光電導(dǎo)材料的長(zhǎng)波限：λ≤hc/Eg=1.24/Eg

（μm）λ≤hc/Ei=1.24/Ei

（μm）有光照時(shí)，半導(dǎo)體材料吸收光子能量產(chǎn)生光生載流子，此時(shí)材料處于亮態(tài)，具有亮電導(dǎo)，可以表示為：GI=σI·S/L亮電導(dǎo)GI與暗電導(dǎo)Gd之差稱為光電導(dǎo)Gp：Gp=GI-Gd=(σI-σd)

·S/L=Δσ·S/L無(wú)光照時(shí)，半導(dǎo)體材料在常溫下有一定的熱激發(fā)載流子濃度，因此半導(dǎo)體材料具有一定的暗電導(dǎo)率，暗態(tài)下樣品的電導(dǎo)可以表示為：Gd=σd·S/L光電導(dǎo)光電導(dǎo)弛豫過(guò)程：光電導(dǎo)材料從光照開(kāi)始到獲得穩(wěn)定的光電流需要一定的時(shí)間，同樣，撤銷光照后電流恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)亦需要時(shí)間。弛豫現(xiàn)象反映了光電導(dǎo)對(duì)光強(qiáng)變化的反應(yīng)快慢程度，亦稱為惰性。τr表示光生載流子濃度從零增長(zhǎng)到穩(wěn)態(tài)值的63%時(shí)所需的時(shí)間；τf表示從去掉光源前的穩(wěn)態(tài)值衰減到穩(wěn)態(tài)值的37%所需的時(shí)間。矩形光脈雜質(zhì)光電導(dǎo)指雜質(zhì)半導(dǎo)體中的施主或者受主吸收光子能量后電離，產(chǎn)生自由電子或空穴，從而增加材料電導(dǎo)率的現(xiàn)象。由于雜質(zhì)光電導(dǎo)器件中施主或受主的電力能比同材料的本征半導(dǎo)體的禁帶寬度要小很多，因此響應(yīng)波長(zhǎng)也要比本征半導(dǎo)體材料的工作波長(zhǎng)要長(zhǎng)很多。如果用ΔE表示雜質(zhì)半導(dǎo)體的電力能，則雜質(zhì)光電導(dǎo)器件的截止波長(zhǎng)可以表示為λ=hc/ΔE因?yàn)殡s質(zhì)的電離能很小，為了避免熱激發(fā)的載流子產(chǎn)生的噪聲超過(guò)光激發(fā)的信號(hào)載流子，多數(shù)雜質(zhì)半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件都必須工作在低溫狀態(tài)下，具體實(shí)現(xiàn)是將光電器件放在裝有制冷劑的杜瓦瓶里。2)、光生伏特效應(yīng)由于光照而使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生的附加電動(dòng)勢(shì)，即為光生電動(dòng)勢(shì)，此現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的“結(jié)”效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)機(jī)理在無(wú)光照時(shí)，PN結(jié)內(nèi)存在內(nèi)部自建電場(chǎng)E，當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時(shí)，這些載流子在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近產(chǎn)生少數(shù)載流子(電子空穴對(duì))。載流子在結(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時(shí)，則因電場(chǎng)E的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)，結(jié)果使N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)，即為光生電動(dòng)勢(shì)。利用光生伏特效應(yīng)制成的光電接收器件主要有光敏二極管，光敏晶體管和光電池。3)、光磁電效應(yīng)半導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，用激光輻射線垂直照射其表面，當(dāng)光子能量足夠大時(shí)，在表面層內(nèi)激發(fā)出光生載流子，在表面層和體內(nèi)形成載流子的濃度梯度。于是光生載流子就向體內(nèi)擴(kuò)散，在擴(kuò)散過(guò)程中，由于磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力的作用，電子空穴對(duì)（載流子）偏向兩端，產(chǎn)生電荷積累，形成電位差，即為光磁電效應(yīng)。4)、光子牽引效應(yīng)當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí)，光子把動(dòng)量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光線的傳播方向做相對(duì)于晶格的運(yùn)動(dòng)。結(jié)果，在開(kāi)路的情況下，半導(dǎo)體樣品將產(chǎn)生電場(chǎng)，它阻止載流子的運(yùn)動(dòng)，該現(xiàn)象即為光子牽引效應(yīng)。利用光子牽引效應(yīng)已經(jīng)成功檢測(cè)了低頻大功率CO2激光器的輸出功率。CO2激光器輸出的波長(zhǎng)(10.6微米)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了激光器鍺窗材料的本征吸收波長(zhǎng)限，不可能產(chǎn)生光電子發(fā)射，但是，激光器鍺窗的兩端會(huì)產(chǎn)生伏特電壓，迎光面帶正電，出光面帶負(fù)電。2光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)：材料受到光照射后，光子能量與晶格相互作用，振動(dòng)加劇，溫度升高，引起材料的性質(zhì)發(fā)生變化。區(qū)別于光電效應(yīng)，光子能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娮拥哪芰俊後岆娦?yīng)：介質(zhì)的極化強(qiáng)度隨溫度變化而變化，引起表面電荷變化的現(xiàn)象。輻射熱計(jì)效應(yīng)：入射光照射時(shí)材料由于受熱而造成電阻率變化的現(xiàn)象。溫差電效應(yīng)：由于兩種材料制成的節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)溫差而在兩結(jié)點(diǎn)間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象。1、熱釋電效應(yīng)極化晶體：當(dāng)晶體的正負(fù)中心不重合時(shí)，在客觀上回出現(xiàn)極化現(xiàn)象，在不加外電場(chǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)自發(fā)極化。自發(fā)極化的結(jié)果是垂直于極化方向上的晶體表面出現(xiàn)大小相等、方向相反的面束縛電荷。束縛面電荷密度等于極化強(qiáng)度。熱釋電效應(yīng)：晶體的電極化強(qiáng)度隨溫度變化，而釋放表面吸附電荷的現(xiàn)象。溫度低時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度大，晶體表面感應(yīng)的電荷增加。溫度高時(shí)，自發(fā)極化強(qiáng)度小，晶體表面感應(yīng)的電荷相應(yīng)的減少，相當(dāng)于釋放了一部分電荷。物理機(jī)制：熱釋電器件只能檢測(cè)變化的溫度。思考：為什么熱釋電器件只能檢測(cè)變化的溫度？隨著溫度的逐漸升高，極化強(qiáng)度越來(lái)越弱，當(dāng)溫度達(dá)到一特定溫度之后，自發(fā)極化強(qiáng)度下降為零，即為極化晶體發(fā)生了相變。極化晶體變?yōu)榉菢O化晶體。產(chǎn)生相變的溫度為居里溫度。相變：熱電體有重要和廣泛的應(yīng)用，如紅外探測(cè)器，熱電激光量熱計(jì)，夜視儀以及各種光譜反接收器等。優(yōu)點(diǎn)是不需要低溫冷卻，但目前靈敏度相比相應(yīng)半導(dǎo)體稍低。熱釋電紅外傳感器紅外輻射理論：溫度高于絕對(duì)零度的物質(zhì)由于分子間的熱運(yùn)動(dòng)都會(huì)有紅外輻射，且輻射的能量和物質(zhì)的溫度成正比。人體溫度在36-37攝氏度之間，是一個(gè)紅外輻射源，正常情況下體表溫度約為32度，輻射的紅外光譜波長(zhǎng)在8-12微米附近。對(duì)光聚焦，提高探測(cè)距離放大微弱電信號(hào)熱電轉(zhuǎn)換，輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)工作原理：熱釋電紅外線傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料。在每個(gè)探測(cè)器內(nèi)裝入一個(gè)或兩個(gè)探測(cè)元件，并將兩個(gè)探測(cè)元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測(cè)元件將探測(cè)并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場(chǎng)效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測(cè)器的探測(cè)靈敏度以增大探測(cè)距離，一般在探測(cè)器的前方裝設(shè)一個(gè)菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號(hào)放大70分貝以上，這樣就可以測(cè)出10~20米范圍內(nèi)人的行動(dòng)。當(dāng)這種材料受到紅外輻射而溫度升高時(shí)，表面電荷將減少，相當(dāng)于釋放了一部分電荷。將釋放的電荷經(jīng)放大器可轉(zhuǎn)換為電壓輸出。當(dāng)輻射繼續(xù)作用于熱釋電元件，使其表面電荷達(dá)到平衡時(shí)，便不再釋放電荷。熱釋電傳感器不能探測(cè)恒定的紅外輻射。αT=-β/T2一般情況下：2、輻射熱計(jì)效應(yīng)輻射熱計(jì)是利用入射輻射使敏感元件的溫度提高后從而使電阻隨之改變而測(cè)出輻射的探測(cè)器。材料電阻隨溫度的變化可用下式表示材料的電阻溫度系數(shù)金屬材料的電阻溫度系數(shù)與溫度成反比，αT≈0.0033αT=1/T半導(dǎo)體材料的電阻溫度系數(shù)與T2成反比輻射熱計(jì)效應(yīng)的應(yīng)用：輻射熱計(jì)是熱能輻射轉(zhuǎn)移過(guò)程的量化檢測(cè)儀器，是用于測(cè)量輻射熱過(guò)程中熱輻射遷移量的大小，評(píng)價(jià)熱輻射性能的重要工具。即，熱輻射計(jì)是測(cè)量熱輻射能量傳遞大小和方向的儀器。一種是熱電偶單向輻射熱計(jì)：可測(cè)定來(lái)自一個(gè)方向的輻射熱強(qiáng)度，儀器背面有棋盤形黑白相間鋁箱制成的輻射熱接收體，其后固定有240對(duì)康銅熱電偶，儀器正面為電流表。黑球溫度計(jì)：利用黑體吸收輻射熱量最強(qiáng)的原理，用一個(gè)深黑色的空心銅球和一支插在銅球中心的溫度計(jì)構(gòu)成。測(cè)定時(shí)懸掛在測(cè)點(diǎn)，大約15分鐘后可讀出穩(wěn)定讀數(shù)。3、溫差電效應(yīng)當(dāng)兩種不同的配偶材料(金屬或半導(dǎo)體)兩端并聯(lián)熔接時(shí)，如果兩個(gè)接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)，回路中就有電流流通。探測(cè)原理把冷端分開(kāi)并與一個(gè)電流表連接，當(dāng)光照熔接端(稱為電偶接頭)時(shí)，熔接端（電偶接頭）吸收光能使其溫度升高，電流表就有相應(yīng)的電流讀數(shù)，電流的數(shù)值就間接反映了光照能量的大小。實(shí)際中為了提高測(cè)量的靈敏度，常將若干個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)使用，稱為熱電堆。它在激光能量計(jì)中獲得較多應(yīng)用。(1)塞貝克（Seebeck）效應(yīng)：由金屬A、B接成的熱電偶在兩個(gè)接點(diǎn)處保持不同的溫度T和T+ΔT，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，回路中兩接點(diǎn)處將產(chǎn)生電勢(shì)差，且與兩接點(diǎn)處的溫度差ΔT

成正比，即：

Δξ=εAB

ΔT

εAB稱為溫差電動(dòng)勢(shì)系數(shù)，它與材料及溫度有關(guān)。溫差電效應(yīng)主要有三種形式：(2)珀?duì)栙N（Peltier）效應(yīng)：將兩種金屬A、B相連接，并保持其溫度恒定不變，當(dāng)有電流通過(guò)電路時(shí)，在一個(gè)接點(diǎn)處有熱量放出，在另一接點(diǎn)處則吸收熱量，如果將電流方向反向，則原吸熱的一端變?yōu)榉艧?，原?lái)放熱的一端變?yōu)槲鼰?，以Je表示從A流往B的電流密度，單位時(shí)間內(nèi)，單位截面的導(dǎo)線在接點(diǎn)處所吸收的熱量為Jπq=πABJe；式中Jπq稱為珀?duì)柼麩崃髅芏?，πAB是該兩種金屬的珀?duì)柼禂?shù)，取決于兩種金屬的性質(zhì)，并與溫度有關(guān)。(3)湯姆遜（Thomson）效應(yīng):當(dāng)電流通過(guò)具有溫度梯度的均勻?qū)w時(shí)，除了放出焦耳熱外，導(dǎo)體還需要放出或吸收另外的熱量稱為湯姆熱，以Je表示電流密度，在單位時(shí)間內(nèi)，單位體積的導(dǎo)體放出的湯姆熱qT

為

qT

=-τ

Je·ΔT式中τ是湯姆遜系數(shù)，它與溫度和材料性質(zhì)有關(guān)。產(chǎn)生該效應(yīng)原因有二：

（1）因?yàn)槌霈F(xiàn)溫度梯度，導(dǎo)體本身各部分的物性有差異，如帶電粒子濃度將隨溫度而異，于是有類似珀?duì)柼?yīng)出現(xiàn)；（2）溫度梯度引起溫差電動(dòng)勢(shì)，它將對(duì)電流作功。溫差電效應(yīng)的應(yīng)用：（1）小功率電源：利用體溫變化發(fā)電為手表等提供電源；（2）溫差制冷：小型便攜冰箱；（3）余熱廢熱發(fā)電：生產(chǎn)和生活中的余熱發(fā)電供應(yīng)生活需要。注：JournalofHigherCorrespondenceEducation（NaturalSciences），19（4），2006.3光壓效應(yīng)光對(duì)被照射物體單位表面積上施加的壓力叫光壓。光壓的存在一直以來(lái)都難以被直觀感受到，但隨著現(xiàn)代科學(xué)手段的不斷進(jìn)步，光壓不僅僅被實(shí)驗(yàn)所論證和檢測(cè)，更是作為一種現(xiàn)代科學(xué)條件下非常規(guī)技術(shù)手段，在原子物理、航天科學(xué)以及生命領(lǐng)域擁有不可估量的應(yīng)用潛力。無(wú)論是未來(lái)的原子操作、光學(xué)鑷還是太陽(yáng)帆，都預(yù)示著光壓效應(yīng)必將站在未來(lái)科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿，成就物理學(xué)上又一個(gè)高峰。2.2光電檢測(cè)的特性參數(shù)光電檢測(cè)器件的主要特性參數(shù)：1）響應(yīng)特性；2）噪聲特性；3）信噪比；4）量子效率；5）線性度；6）工作溫度特性注意：1）特性參數(shù)是直接測(cè)量的，稱為實(shí)際參數(shù)；特性參數(shù)是折合到標(biāo)準(zhǔn)參考條件的參數(shù)值，稱為參考參數(shù)。2）特性參數(shù)說(shuō)明時(shí)，必須指明條件，以確定是否可以更換。一、光電響應(yīng)特性1、響應(yīng)度(或稱靈敏度)：是光電探測(cè)器輸出信號(hào)與輸入光功率之間關(guān)系的度量，描述的是光電探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換效率，是一個(gè)宏觀參數(shù)。響應(yīng)度分電壓響應(yīng)度和電流響應(yīng)度。電壓響應(yīng)度：光電探測(cè)器輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)度：光電探測(cè)器輸出電流與入射光功率之比響應(yīng)度與入射波長(zhǎng)有關(guān)，如果是測(cè)量光電檢測(cè)器件的靈敏度用的是單色光，稱為光譜響應(yīng)度（也稱為單色靈敏度）。如果使用的是復(fù)色光，則稱為積分響應(yīng)度（也稱為積分靈敏度）。2.光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為λ的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比。3.積分響應(yīng)度：檢測(cè)器對(duì)各種波長(zhǎng)光連續(xù)輻射量的反應(yīng)程度。對(duì)于包含各種波長(zhǎng)的輻射光源，總的光通量

光電檢測(cè)器輸出的電流由不同波長(zhǎng)的光輻射引起的，輸出的光電流為：

故，積分靈敏度為：

在測(cè)量光電檢測(cè)器件的靈敏度時(shí)，所采用的輻射源不同，甚至色溫不同的同一輻射源，測(cè)量結(jié)果又差別。因此在提供探測(cè)器靈敏度參數(shù)時(shí)，需要指出輻射源及色溫。一般采用500K的黑體輻射。4.響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間τ是描述光電探測(cè)器對(duì)入射光響應(yīng)快慢的參數(shù)。上升時(shí)間：入射光照射到光電探測(cè)器后，光電探測(cè)器輸出從穩(wěn)態(tài)值的10%上升到90%所需要的時(shí)間。下降時(shí)間：入射光遮斷后，光電探測(cè)器輸出從穩(wěn)態(tài)值的90%下降到10%所需要的時(shí)間。5.頻率響應(yīng)光電檢測(cè)器的響應(yīng)隨入射輻射的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng)。利用時(shí)間常數(shù)可得到光電檢測(cè)器響應(yīng)度與入射調(diào)制頻率的關(guān)系，即

S(f)=S0/[1+(2πfτ)2]1/2，式中S(f)是頻率為f時(shí)的響應(yīng)度；S0為頻率是零時(shí)的響應(yīng)度；

τ為時(shí)間常數(shù)。當(dāng)S(f)/

S0=1/21/2=0.707時(shí)可得到光電檢測(cè)器的上限截止頻率為

f上=1/2πτ=1/2πRC即時(shí)間常數(shù)決定了光電檢測(cè)器頻率響應(yīng)的帶寬。二、噪聲特性光電探測(cè)器是把輻射量轉(zhuǎn)變成電量，它在控制系統(tǒng)中作為光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，靈敏度表達(dá)了光電器件的效能，但是當(dāng)光電器件探測(cè)微弱信號(hào)時(shí)，靈敏度并不能表達(dá)光電器件探測(cè)微弱輻射的能力。因?yàn)楫?dāng)探測(cè)器與電子線路組合時(shí)，只要放大倍率足夠高，即使沒(méi)有輻射信號(hào)輸入，也可以觀察到一些毫無(wú)規(guī)律和無(wú)法預(yù)測(cè)的電輸出（電壓或電流），稱為噪聲電壓（或電流）。主要噪聲：熱噪聲；散粒噪聲；產(chǎn)生-復(fù)合噪聲；1/f噪聲：載流子無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲。1、熱噪聲溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，導(dǎo)體/半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電量做隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生噪聲電壓，稱為熱噪聲電壓。其表達(dá)式為：

用熱噪聲電流可表示為：

R為產(chǎn)生熱噪聲的導(dǎo)體的電阻，k為波爾茲曼常數(shù)，T為導(dǎo)體的熱力學(xué)溫度，Δf為測(cè)量系統(tǒng)噪聲帶寬。上式表明熱噪聲與溫度成正比，與頻率無(wú)關(guān)。熱噪聲是由各種頻率分量組成，就像白光是由各種波長(zhǎng)的光組成的一樣，故熱噪聲又稱之為白噪聲。2、散粒噪聲光子隨機(jī)到達(dá)光電探測(cè)器所引起的光電流的隨機(jī)起伏稱為散粒噪聲。散粒噪聲電流的表達(dá)式為：

散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)，但是它與熱噪聲根本不同。熱噪聲起源于熱平衡條件下電子的粒子性，即電荷的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，依賴于KT，而散粒噪聲直接起源于光的粒子性。因此，熱噪聲屬電路中電阻的一項(xiàng)特性，設(shè)計(jì)者可對(duì)其進(jìn)行某些控制，而散粒噪聲是光電探測(cè)器的固有特性，因此散粒噪聲不可能被消除。對(duì)大多數(shù)光電探測(cè)器來(lái)說(shuō)，散粒噪聲具有支配地位。3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲光電器件因光激或熱激載流子和壽命的隨機(jī)性所引起的電流起伏叫產(chǎn)生-復(fù)合噪聲。與載流子產(chǎn)生的隨機(jī)性、載流子的復(fù)合時(shí)間即載流子壽命的隨機(jī)性有關(guān)。產(chǎn)生-復(fù)合噪聲電流的均方值為

I為流過(guò)光電接收器件的平均電流；τ為載流子平均壽命；τc為載流子在光電探測(cè)器件兩電極間的平均漂移時(shí)間；f為頻率；Δf為帶寬。上式表明，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲與頻率有關(guān)，不是白噪聲。如果頻率低，滿足條件時(shí)，上式可化簡(jiǎn)為：I2Ng=4eI(τ/τc)Δf此時(shí)，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲是白噪聲。4、1/f噪聲因光敏層的微粒不均勻性或不必要的微量雜質(zhì)存在，當(dāng)電流流過(guò)時(shí)在微粒間發(fā)生微火花放電而引起的微電脈沖就是1/f噪聲的起源。其經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，K為比例系數(shù)，與元件制造工藝、電極接觸情況、表面狀態(tài)及尺寸有關(guān)；I為流過(guò)光電探測(cè)器的電流直流分量；α與流過(guò)元件的電流有關(guān)，通常α=2；β與元件材料的性質(zhì)有關(guān)，其值在0.8~1.3之間，大部分材料的值為1。由于這種噪聲與頻率f有近似倒數(shù)的關(guān)系，故稱為1/f噪聲，它在低頻區(qū)較大，故有時(shí)稱低頻噪聲。噪聲在實(shí)際的光電探測(cè)系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號(hào)混在一起，因而影響對(duì)信號(hào)特別是微弱信號(hào)的正確探測(cè)。一個(gè)光電探測(cè)系統(tǒng)的極限探測(cè)能力往往受探測(cè)系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精密測(cè)量、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問(wèn)題。三、信噪比（S/N）它是在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比，是判斷噪聲大小通常使用的參數(shù)。即S/N=PS/PN=IS2RL/IN2RL=IS2/IN2若用分貝（即dB）表示，則為利用S/N評(píng)價(jià)兩種光電器件性能時(shí)，必須在信號(hào)輻射功率相同的條件下才能比較。但對(duì)單個(gè)光電器件，其S/N的大小與入射信號(hào)輻射功率及接收面積有關(guān)；如果入射輻射強(qiáng)，接收面積大，S/N就大，但性能不一定就好，因此，用S/N來(lái)評(píng)價(jià)光電器件有一點(diǎn)的局限性。(S/N)dB=10lgIS2/IN2=20lgIS/IN噪聲等效功率NEP探測(cè)器產(chǎn)生與其噪聲均方根電壓相等的信號(hào)所需入射到探測(cè)器的輻射功率，即信噪比為1時(shí)所需要的最小輸入光信號(hào)的功率。NEP描述探測(cè)器的探測(cè)能力，NEP值越小，探測(cè)器的探測(cè)能力越強(qiáng)。一般情況下，入射光功率應(yīng)大于NEP的若干倍，信號(hào)才能被探測(cè)處理。四、量子效率：在某一特定波長(zhǎng)上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。是描述光電轉(zhuǎn)換器件光電轉(zhuǎn)換能力的一個(gè)重要參數(shù)，是一個(gè)微觀參數(shù)，愈高愈好。波長(zhǎng)為λ的光輻射的單個(gè)光子能量為hν=hc/λ相應(yīng)的光電流Is，每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)為Is/q（q—電子電荷）設(shè)光通量為Φ，則入射的光子數(shù)為Φ/hν量子效率:微觀靈敏度(統(tǒng)計(jì)平均量)

η(λ)=1—入射一個(gè)光量子就能發(fā)射一個(gè)電子，即產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì)。（理論值）通常η(λ)<1，但某些器件有增益（放大倍數(shù)），光電三極管，光電倍增管等。五、線性度在某一范圍內(nèi)探測(cè)器的響應(yīng)度是常數(shù)，稱這個(gè)范