2.3 光电信息探测器件的性能比较和应用选择

2.3.1 光电信息探测器件的性能比较

前面已介绍过真空光电信息探测器件与半导体光电信息探测器件，它们的应用范围十分广泛。在此，将它们的性能进行归纳比较，以便应用选择。下面从8个特性参数方面，将它们比较如下。

（1）动态特性的比较

在动态特性方面，即频率响应与时间响应，以光电倍增管和光电二极管（尤其是PIN管与雪崩管）为最好。其他依次为光电三极管、复合光电三极管、光电池，响应最慢的是光敏电阻，它不但惯性大，而且还具有前历效应。

（2）光电特性的比较

在光电特性方面，即光电转换特性（线性），以光电倍增管、光电二极管（含PIN与APD管）、零偏光电池与反向偏置的光电池为最好。其他依次为光电三极管、复合光电三极管，光敏电阻的线性最差。

（3）动态范围的比较

动态范围有线性和非线性动态范围之分。在线性动态范围方面，以光电倍增管和光电二极管为最好。其他依次为光电池、光电三极管、复合光电三极管，以光敏电阻最差。但是，光敏电阻的非线性动态范围又比其他的光电检测器件宽。

（4）灵敏度的比较

在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻为最好。其他依次为复合光电三极管、光电三极管、光电池，以光电二极管为最低。

值得指出的是，灵敏度高不见得就是输出电流大。例如，输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管与复合光电三极管，但其灵敏度不见得就最高。

（5）光谱特性的比较

在光谱响应特性方面，主要与光电器件所使用的材料有关。一般，以光电倍增管和CdSe光敏电阻为最宽，但PMT响应偏紫外方面，而光敏电阻响应偏红外方面。尤其在红外波段，光敏电阻的光谱响应更为突出。

（6）暗电流与噪声的比较

光电信息探测器件的暗电流，以光电倍增管与光电二极管为最小。光电池不加电源时无暗流，加反压后其暗电流 Id也比 PMT 与光电二极管大。光敏电阻、光电三极管、复合光电三极管的暗电流较大，尤其放大倍率大的多极复合光电三极管等最大。

通常，光电信息探测器件的噪声主要只考虑一种，唯有光敏电阻的噪声源有三种，但不能说明它的噪声最大。实际上，具有高放大倍率的复合光电三极管的噪声最大，大面积的光电池的噪声也不小。

（7）供电电源与应用灵活性的比较

光电池不需加电源就能工作，而其他光电信息探测器件均需接外加电源，但所加电压最低的是光电二极管、光电三极管。光敏电阻没有极性，除同其他光电器件加直流电源外，也可加交流电源。因此，从应用灵活方面看，以光电池为最好，其次是光敏电阻。

（8）长期工作的稳定可靠性的比较

光电信息探测器件在长期工作的稳定可靠性方面，以光电二极管、光电池为最好，其次是PMT与光电三极管。

2.3.2 光电信息探测器件的应用选择

光电信息探测器件的应用选择，实际上就是应用时的一些注意事项或要点。在很多要求不太严格的应用中，可采用任何一种光电信息探测器件。不过在某些情况下，选用某种器件会更加合适些。例如，当需要比较大的光敏面积时，可先选用真空光电管，因其光谱响应范围比较宽，故真空光电管在分光光度计中应用。当被测辐射等级很低（信号微弱）、响应速率较高时，采用光电倍增管最合适，因为其放大倍数可达107以上，这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此在天文、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面得到了广泛的应用。

目前，固体光电信息探测器件用途非常广。当需要定量测量光源的发光强度时，选用光电二极管要比选用光电三极管好些，因为光度测量时对光电变换的线性和动态范围的要求比对灵敏度的要求高。当测量对象为高速运动物体时，则时间响应成为首选，灵敏度等就次要了。例如，要探测10-7 s的光脉冲，就需选用响应时间小于10-7 s的PIN光电二极管。由于硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，因而在各种工业控制中获得了应用。硅雪崩光电二极管由于增益高、响应快、噪声小，因而在激光测距与光纤通信中普遍采用。

但是，在固体光电信息探测器件中，要求对弱辐射进行探测时，就必须考虑灵敏度和光谱响应，而不必过多考虑响应速度，从而可选光敏电阻。通常，CdS光敏电阻因成本低、灵敏度较高，而在光亮度控制（如照相自动曝光或路灯日光控制等）中采用。光电池是固体光电器件中具有最大光敏面积的器件，它除了可以作为探测器件外，还多用做太阳能变换器。

对于速度并不太快的物体进行速度测量或作机械量的非接触尺寸测量等，前述的器件均可以选用。这时，就要考虑体积、电源、价格等因素，选用最合理的光电信息探测器件。

为了提高传输效率，无畸变地变换光电信号，光电信息探测器件不仅要和被测信号、光学系统，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。现将光电信息探测器件的应用选择要点归纳如下。

（1）光电信息探测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配

在光电检测系统中，所选用的光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。如果测量波长是紫外波段，则需选用 PMT 或专门的紫外半导体光电器件；如果信号是可见光，则可选 PMT、光敏电阻与 Si 的光生伏特型器件；如果是红外波段的信号，则选用光敏电阻；如果信号是近红外，则可选Si的光生伏特型器件或PMT。

（2）光电信息探测器件的光敏面必须和入射辐射能量相对准

因光源必须照到器件的有效位置，若发生变化，则光电灵敏度将发生变化。例如，光敏电阻是一个可变电阻，有光照的部分电阻就降低，必须设计光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效地利用全部感光面；光电二极管、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积，故一般把透镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准；太阳电池具有大的感光面，一般用于杂散光或者没有达到聚焦状态的光束的接收。同其他器件相比，光敏面积大的光电池，因照射光的晃动而产生的光电流也要小些。

（3）光电信息探测器件的光电转换特性必须和入射辐射相匹配

当光电检测器件进行光度检测时，其光电转换特性必须与入射辐射成正比。一般，使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内，以确保获得良好的线性检测。并且，还要根据待测光信号的大小，确定所用的光电检测器件能输出多大的电信号，确保检测器件的动态范围。

（4）光电信息探测器件必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配

光电检测器件必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。这种情况主要是选择响应时间短或上限频率高的器件，同时在电路上也要注意匹配好动态参数。

（5）光电信息探测器件的最小可探测功率必须与入射辐射相匹配

光电检测器件的最小可探测功率（即等效噪声功率NEP）必须与入射辐射相匹配，否则就检测不到信号。因此，对微弱的光信号，器件的NEP要小，并必须有合适的灵敏度，以确保一定的信噪比与输出足够强的电信号。

（6）光电信息探测器件必须和后续电路在电特性上良好地匹配

光电检测器件必须和后续电路，如输入电路与低噪声前置放大器等（在第4章中将详细介绍）在电特性上进行良好地匹配，以保证有小的噪声系数、足够大的信噪比、转换系数、线性范围，以及快速的动态响应等。

（7）注意选好器件的规格和使用条件，以确保器件工作的长期稳定可靠

为了使器件具有长期工作的可靠性，必须注意选好器件的规格和使用的环境条件。一般要求在长时间的连续使用中，能保证在低于最大限额状态下正常工作。当工作条件超过最大限额时，器件的特性即急剧劣化，特别是超过电流容限值后，其损坏往往是永久性的。使用的环境温度和电流容限一样，当超过温度的容限值后，一般将引起缓慢的特性劣化。总之，要使器件在额定条件下使用，尤其要注意器件的温度特性，才能保证光电信息探测系统能长期、稳定、可靠地工作。