2.3 光電信息探測(cè)器件的性能比較和應(yīng)用選擇

2.3.1 光電信息探測(cè)器件的性能比較

前面已介紹過(guò)真空光電信息探測(cè)器件與半導(dǎo)體光電信息探測(cè)器件，它們的應(yīng)用范圍十分廣泛。在此，將它們的性能進(jìn)行歸納比較，以便應(yīng)用選擇。下面從8個(gè)特性參數(shù)方面，將它們比較如下。

（1）動(dòng)態(tài)特性的比較

在動(dòng)態(tài)特性方面，即頻率響應(yīng)與時(shí)間響應(yīng)，以光電倍增管和光電二極管（尤其是PIN管與雪崩管）為最好。其他依次為光電三極管、復(fù)合光電三極管、光電池，響應(yīng)最慢的是光敏電阻，它不但慣性大，而且還具有前歷效應(yīng)。

（2）光電特性的比較

在光電特性方面，即光電轉(zhuǎn)換特性（線性），以光電倍增管、光電二極管（含PIN與APD管）、零偏光電池與反向偏置的光電池為最好。其他依次為光電三極管、復(fù)合光電三極管，光敏電阻的線性最差。

（3）動(dòng)態(tài)范圍的比較

動(dòng)態(tài)范圍有線性和非線性動(dòng)態(tài)范圍之分。在線性動(dòng)態(tài)范圍方面，以光電倍增管和光電二極管為最好。其他依次為光電池、光電三極管、復(fù)合光電三極管，以光敏電阻最差。但是，光敏電阻的非線性動(dòng)態(tài)范圍又比其他的光電檢測(cè)器件寬。

（4）靈敏度的比較

在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻為最好。其他依次為復(fù)合光電三極管、光電三極管、光電池，以光電二極管為最低。

值得指出的是，靈敏度高不見(jiàn)得就是輸出電流大。例如，輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管與復(fù)合光電三極管，但其靈敏度不見(jiàn)得就最高。

（5）光譜特性的比較

在光譜響應(yīng)特性方面，主要與光電器件所使用的材料有關(guān)。一般，以光電倍增管和CdSe光敏電阻為最寬，但PMT響應(yīng)偏紫外方面，而光敏電阻響應(yīng)偏紅外方面。尤其在紅外波段，光敏電阻的光譜響應(yīng)更為突出。

（6）暗電流與噪聲的比較

光電信息探測(cè)器件的暗電流，以光電倍增管與光電二極管為最小。光電池不加電源時(shí)無(wú)暗流，加反壓后其暗電流 Id也比 PMT 與光電二極管大。光敏電阻、光電三極管、復(fù)合光電三極管的暗電流較大，尤其放大倍率大的多極復(fù)合光電三極管等最大。

通常，光電信息探測(cè)器件的噪聲主要只考慮一種，唯有光敏電阻的噪聲源有三種，但不能說(shuō)明它的噪聲最大。實(shí)際上，具有高放大倍率的復(fù)合光電三極管的噪聲最大，大面積的光電池的噪聲也不小。

（7）供電電源與應(yīng)用靈活性的比較

光電池不需加電源就能工作，而其他光電信息探測(cè)器件均需接外加電源，但所加電壓最低的是光電二極管、光電三極管。光敏電阻沒(méi)有極性，除同其他光電器件加直流電源外，也可加交流電源。因此，從應(yīng)用靈活方面看，以光電池為最好，其次是光敏電阻。

（8）長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定可靠性的比較

光電信息探測(cè)器件在長(zhǎng)期工作的穩(wěn)定可靠性方面，以光電二極管、光電池為最好，其次是PMT與光電三極管。

2.3.2 光電信息探測(cè)器件的應(yīng)用選擇

光電信息探測(cè)器件的應(yīng)用選擇，實(shí)際上就是應(yīng)用時(shí)的一些注意事項(xiàng)或要點(diǎn)。在很多要求不太嚴(yán)格的應(yīng)用中，可采用任何一種光電信息探測(cè)器件。不過(guò)在某些情況下，選用某種器件會(huì)更加合適些。例如，當(dāng)需要比較大的光敏面積時(shí)，可先選用真空光電管，因其光譜響應(yīng)范圍比較寬，故真空光電管在分光光度計(jì)中應(yīng)用。當(dāng)被測(cè)輻射等級(jí)很低（信號(hào)微弱）、響應(yīng)速率較高時(shí)，采用光電倍增管最合適，因?yàn)槠浞糯蟊稊?shù)可達(dá)107以上，這樣高的增益可使其信號(hào)超過(guò)輸出和放大線路內(nèi)的噪聲分量，使得對(duì)探測(cè)器的限制只剩下光陰極電流中的統(tǒng)計(jì)變化。因此在天文、光譜學(xué)、激光測(cè)距和閃爍計(jì)數(shù)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，固體光電信息探測(cè)器件用途非常廣。當(dāng)需要定量測(cè)量光源的發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，選用光電二極管要比選用光電三極管好些，因?yàn)楣舛葴y(cè)量時(shí)對(duì)光電變換的線性和動(dòng)態(tài)范圍的要求比對(duì)靈敏度的要求高。當(dāng)測(cè)量對(duì)象為高速運(yùn)動(dòng)物體時(shí)，則時(shí)間響應(yīng)成為首選，靈敏度等就次要了。例如，要探測(cè)10-7 s的光脈沖，就需選用響應(yīng)時(shí)間小于10-7 s的PIN光電二極管。由于硅光電二極管體積小、響應(yīng)快、可靠性高，而且在可見(jiàn)光與近紅外波段內(nèi)有較高的量子效率，因而在各種工業(yè)控制中獲得了應(yīng)用。硅雪崩光電二極管由于增益高、響應(yīng)快、噪聲小，因而在激光測(cè)距與光纖通信中普遍采用。

但是，在固體光電信息探測(cè)器件中，要求對(duì)弱輻射進(jìn)行探測(cè)時(shí)，就必須考慮靈敏度和光譜響應(yīng)，而不必過(guò)多考慮響應(yīng)速度，從而可選光敏電阻。通常，CdS光敏電阻因成本低、靈敏度較高，而在光亮度控制（如照相自動(dòng)曝光或路燈日光控制等）中采用。光電池是固體光電器件中具有最大光敏面積的器件，它除了可以作為探測(cè)器件外，還多用做太陽(yáng)能變換器。

對(duì)于速度并不太快的物體進(jìn)行速度測(cè)量或作機(jī)械量的非接觸尺寸測(cè)量等，前述的器件均可以選用。這時(shí)，就要考慮體積、電源、價(jià)格等因素，選用最合理的光電信息探測(cè)器件。

為了提高傳輸效率，無(wú)畸變地變換光電信號(hào)，光電信息探測(cè)器件不僅要和被測(cè)信號(hào)、光學(xué)系統(tǒng)，而且要和后續(xù)的電子線路在特性和工作參數(shù)上相匹配，使每個(gè)相互連接的器件都處于最佳的工作狀態(tài)。現(xiàn)將光電信息探測(cè)器件的應(yīng)用選擇要點(diǎn)歸納如下。

（1）光電信息探測(cè)器件必須和輻射信號(hào)源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配

在光電檢測(cè)系統(tǒng)中，所選用的光電檢測(cè)器件必須和輻射信號(hào)源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配。如果測(cè)量波長(zhǎng)是紫外波段，則需選用 PMT 或?qū)ｉT(mén)的紫外半導(dǎo)體光電器件；如果信號(hào)是可見(jiàn)光，則可選 PMT、光敏電阻與 Si 的光生伏特型器件；如果是紅外波段的信號(hào)，則選用光敏電阻；如果信號(hào)是近紅外，則可選Si的光生伏特型器件或PMT。

（2）光電信息探測(cè)器件的光敏面必須和入射輻射能量相對(duì)準(zhǔn)

因光源必須照到器件的有效位置，若發(fā)生變化，則光電靈敏度將發(fā)生變化。例如，光敏電阻是一個(gè)可變電阻，有光照的部分電阻就降低，必須設(shè)計(jì)光線照在兩電極間的全部電阻體上，以便有效地利用全部感光面；光電二極管、光電三極管的感光面只是結(jié)附近的一個(gè)極小的面積，故一般把透鏡作為光的入射窗，要把透鏡的焦點(diǎn)與感光的靈敏點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)；太陽(yáng)電池具有大的感光面，一般用于雜散光或者沒(méi)有達(dá)到聚焦?fàn)顟B(tài)的光束的接收。同其他器件相比，光敏面積大的光電池，因照射光的晃動(dòng)而產(chǎn)生的光電流也要小些。

（3）光電信息探測(cè)器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射相匹配

當(dāng)光電檢測(cè)器件進(jìn)行光度檢測(cè)時(shí)，其光電轉(zhuǎn)換特性必須與入射輻射成正比。一般，使入射通量的變化中心處于檢測(cè)器件光電特性的線性范圍內(nèi)，以確保獲得良好的線性檢測(cè)。并且，還要根據(jù)待測(cè)光信號(hào)的大小，確定所用的光電檢測(cè)器件能輸出多大的電信號(hào)，確保檢測(cè)器件的動(dòng)態(tài)范圍。

（4）光電信息探測(cè)器件必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相匹配

光電檢測(cè)器件必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、信號(hào)頻率及波形相匹配，以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時(shí)間響應(yīng)。這種情況主要是選擇響應(yīng)時(shí)間短或上限頻率高的器件，同時(shí)在電路上也要注意匹配好動(dòng)態(tài)參數(shù)。

（5）光電信息探測(cè)器件的最小可探測(cè)功率必須與入射輻射相匹配

光電檢測(cè)器件的最小可探測(cè)功率（即等效噪聲功率NEP）必須與入射輻射相匹配，否則就檢測(cè)不到信號(hào)。因此，對(duì)微弱的光信號(hào)，器件的NEP要小，并必須有合適的靈敏度，以確保一定的信噪比與輸出足夠強(qiáng)的電信號(hào)。

（6）光電信息探測(cè)器件必須和后續(xù)電路在電特性上良好地匹配

光電檢測(cè)器件必須和后續(xù)電路，如輸入電路與低噪聲前置放大器等（在第4章中將詳細(xì)介紹）在電特性上進(jìn)行良好地匹配，以保證有小的噪聲系數(shù)、足夠大的信噪比、轉(zhuǎn)換系數(shù)、線性范圍，以及快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等。

（7）注意選好器件的規(guī)格和使用條件，以確保器件工作的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠

為了使器件具有長(zhǎng)期工作的可靠性，必須注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件。一般要求在長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)使用中，能保證在低于最大限額狀態(tài)下正常工作。當(dāng)工作條件超過(guò)最大限額時(shí)，器件的特性即急劇劣化，特別是超過(guò)電流容限值后，其損壞往往是永久性的。使用的環(huán)境溫度和電流容限一樣，當(dāng)超過(guò)溫度的容限值后，一般將引起緩慢的特性劣化。總之，要使器件在額定條件下使用，尤其要注意器件的溫度特性，才能保證光電信息探測(cè)系統(tǒng)能長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠地工作。