山东科技大学学士学位论文 相位式激光测距技术
光探测器的输出变化与入射光的单位光功率之比。在评价器件的灵敏度时，其输出、输入量均用有效值(即均方根值)表示，并说明辐射源的性质。灵敏度可以用符号S???或者S?T,?,f?表示，其中λ表示工作波长，T为辐射源的室温，f为调制频率。
2、响应度:在实际应用中，探测器的光电转换能力或者探测器对光功率的响应能力用电压响应度和电流灵敏度表示。
(l)电压响应度R:R定义为探测器输出量VS(用伏特表示)与所给定波长的入射单位光功率P(或入射光通量)之比，即R?VW?1??VSP。
(2)电流灵敏度S:S定义为探测中所产生的信号电流Is与入射的单位光功率P (或入射光通量)之比(表示探测器的灵敏度)，则S?AW?1??ISP。
3、噪声等效功率NEP:NEP(noise equivalent power)广泛用于表征光电探测器探测能力的重要参数，它定义为:噪声归一化至单位带宽时，提供比值为1的信噪比所需要的最小辐射功率P(或辐射通量)，或者说是探测器的输出信号电压正好等于输出噪声电压(即VSVN?1)时的入射光功率。NEP量纲通常用平W.Hz-0.5表示，对于规定带宽(大于1Hz)也可以用W表示。
令最小的辐射功率P=NEP，Vs=Vn，则有NEP?VNR?P?VSVN?。 4、探测度D以及归一化探测度D*:D的定义为NEP的倒数，D的单位为W-1，，从上式可以看出，NEP表示探测器的最小可探测的功率，其值越小越好。而D则表示探测器的能力，其值越大越好。
5、频率响应和响应时间:频率响应是指在入射光波一定的条件下，探测器的灵敏度随入射光信号的调制频率的变化而变化的特性。若探测器的响应速度跟不上调制信号频率的变化时，则灵敏度下降，波形变坏。响应频率和响应时间都是表征探测器响应速度的量，只是使用于不同的场合。
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6、量子效率:对光电探测器来说，吸收光子产生光电子，光电子形成光电流。在一定的入射光子数下产生的光电子越多效率越高。通常用量子效率ηq表示，其定义为单位时间内被光子激励产生的光电子数与同一时间内入射到探测器表面的光子数之比。显然，ηq越高越好。 2.5.2各种光电探测器的性能比较
在半导体激光测距接收系统中，由于需要精确测量激光脉冲的飞行时间，所以对光电探测器的响应时间有很高的要求，另外，由于探测器接收的是目标反射回来的微弱信号，所以探测器应该对微弱信号敏感，信噪比较高。根据这几点要求，可供选择的光电探测器有光电倍增管 (PMT)，PIN型光电探测器和雪崩光电二极管(APD)。
在时间响应和频率特性上，即动态性能特性方面，光电倍增管和光敏二极管比较好，PIN光敏二极管和雪崩光敏二极管为最好;在光电特性方面，光电倍增管、光敏二极管都比较好;在灵敏度方面，光电倍增管、雪崩光敏二极管为最好。需要说明的是，灵敏度高不一定是输出电流大。输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光敏二极管和光敏晶体管;所需外加偏压最低的是光敏二极管和光敏晶体管;暗电流以光电倍增管和光敏二极管为最小;在长期工作的稳定性上，以光敏二极管为最好，其次是光电倍增管和光敏晶体管;在光谱响应方面，以光电倍增管最宽，并且光电倍增管的响应偏在紫外方面，光敏电阻的响应偏向红外方面。 2.5.2.1 PMT光电倍增管
光电倍增管具有内部电流增益、灵敏度高、稳定性好、响应速度快、噪声小的优点，但结构复杂、体积大、工作电压高、抗外部强磁干扰差，
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动态响应范围较小并需要多组电压，较少在半导体激光测距系统中使用。 2.5.2.2 PN结光电探测器与PIN型光电探测器
PIN型光电探测器和雪崩二极管都是在半导体PN结光电探测器的上发展而来的，下面从工作原理出发来介绍这两种探测器的工作原理及优缺点。
图2.4 PN结光电检测器原理图
图2.4是半导体PN结光电探测器的原理图。半导体PN结光电探测器是一种体积小、重量轻、灵敏度高、响应速度快的固体探测器。其核心是由P型和N型半导体材料形成的PN结。当半导体材料吸收光能后，在PN结上会产生光生伏特效应，能将光信号转变为电信号。
当PN结处于平衡状态时，其内部将形成一个自建的强电场载流子耗尽区，此时若有大于半导体禁带宽度能量的光子照射到半导体上，则PN结势垒区附近会产生电子空穴对。这些非平衡的载流子运动到PN结附近，便被PN结强电场分离，结果分别在N区和P区边界积累了大量的非平衡的电子和空穴，产生了一个与平衡PN结内建电场方向相反的光生电场，由此产生的光电流与入射光强成正比。实际使用时是将探测器反向偏置，使耗尽层变宽，光生载流子增加[8]。
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图2.5 PIN光电探测器原理图
为了进一步提高半导体光电探测器的响应速度和灵敏度，通常在图2.4结构的P区和N区之间制作一个本征区(或称I区)，构成PIN光电探测器，如图2.5所示，a表示吸收系数。由于在适当的反向偏压下，这层高阻区就是耗尽区，耗尽区宽度的大大增加允许更多的光生电子一空穴对在高场强区产生，同时也降低了光电探测器的结电容，因此PIN型光电探测器与PN型相比，不但量子效率较高，而且响应时间也更快。半导体PN或PIN型光电探测器内部都没有放大作用，因而限制了它们灵敏度的进一步提高。 2.5.2.3 雪崩光电探测器
为解决灵敏度的问题，人们又设计了具有内部增益的光电探测器-雪崩光电探测器(APD)。在这种探测器中，由于光量子的倍增作用，一个光子可以产生10~100对光生电子和空穴，使光电流大大增加，显著提高了光探测
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器的灵敏度。
由于这种结构的PN结的耗尽区有极高的场强，当入射光子被吸收并产生电子一空穴对后，这些载流子在渡越耗尽区时将会被电场加速而获得极大的动能，它们碰撞半导体的晶格，使之电离产生二次电子一空穴对。然后，这些二次电子一空穴对又被加速，产生更多的电子一空穴对。这样的碰撞电离一个接一个地不断发生，就形成了“雪崩”倍增现象，使光电流放大。雪崩光电探测器不仅有较高的增益，而且响应速度快，是一种理想的高灵敏度光电探测器[9]。APD内部工作原理图如图2.6所示：
图2.6 APD内部工作原理图
图2.7 PIN与APD的信噪比与输入信号功率关系图
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