光电检测器件的性能比较与应用选择

2.7.1 光信号的类型

在应用光电检测器件的测量仪器和系统中，光电器件接收的光信号有以下几种。

（1）通断光信号 光信号的通断是指由被测对象导致的投射到光电器件上的光信号的截断或通过，如光电开关、光电报警器等接收到的即是通断光信号。这时的光电器件不考虑线性，但要考虑灵敏度。

（2）按一定频率变化的光信号 这种光信号是有一定频率的，必须使所选器件的上限截止频率（最好是最佳工作频率）大于输入信号的频率，这样才能测出输入信号的变化。

（3）幅度变化的光信号 当被测对象对光的反射率、透过率发生变化或被测对象本身的光辐射强度变化时，光信号幅度大小亦随之改变。为准确测出光信号幅度大小的变化，必须选用线性好、响应快的器件，如光电倍增管、光电二极管等。

（4）有色度差异的光信号 当被测对象本身光辐射的色温存在差异或表面颜色变化时，必须选择具有合适的光谱特性的光电器件。

2.7.2 各种光电检测器件的性能比较

典型的光电检测器件中：在动态特性（即频率响应与时间响应）方面，以光电倍增管和光电二极管（尤其是PIN管与雪崩管）为最好；在光电特性（即线性）方面，以光电倍增管、光电二极管和光电池为最好；在灵敏度方面，则以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好（需要指出的是，灵敏度高不一定输出电流大）；输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管与光电三极管；外加电压最低的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加电源；光电倍增管与光电二极管暗电流最小，光电池不加电源时无暗电流，加反向偏压后暗电流比光电二极管大；在长期工作后的稳定性方面，以光电二极管和光电池为最好，其次是光电三极管；在光谱响应方面，以光电倍增管和硒化镉光敏电阻为最宽。

2.7.3 光电检测器件的应用选择

在应用光电检测器件时要注意使用要点，合理选择各种参数。在使用要求不太严格的情况下，可以采用任何一种光电检测器件。不过在某些特殊情况下，选用某种与之相适应的器件会更合适些。例如：当需要比较大的光敏面积时，可优先考虑选用真空光电管，因其光谱响应范围比较宽，如在分光光度计中应用真空光电管；当被测辐射等级很低（信号微弱）、响应速度较高时，采用光电倍增管最合适，因其放大倍数可达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，使得对检测器的限制只剩下阴极电流中的统计变化，如在天文、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面广泛应用光电倍增管。

目前，固体光电检测器件用途非常广。硫化镉光敏电阻因成本低而在光亮度控制，如照相自动曝光、路灯光线控制等中采用；光电池是固体光电器件中具有最大光敏面积的器件，它除用于检测器件外，还可用于太阳能变换器；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。

为了提高传输效率，无畸变地转换光电信号，光电检测器件不仅要和被测信号、光学系统相匹配，而且还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。光电检测器件的应用选择要点如下所述。

（1）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。如果测量的光波处在紫外波段，则选光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件；如果信号是可见光，则可选光电倍增管、光敏电阻与硅光电器件；如果是红外信号，则选光敏电阻；对于近红外信号，则可选硅光电器件或光电倍增管。

（2）光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。首先要注意的是器件的感光面要和照射光匹配好。如果光源照射到器件的有效位置发生变化，则器件的光电灵敏度将发生变化。例如，光电池具有较大的光敏面，一般用于杂散光或没有达到聚焦状态的光束的接收。光敏电阻是一个可变电阻，在有光照的位置，其电阻就降低，因此设计时必须使光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效地利用全部光敏面。光电二极管和光电三极管的光敏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，并把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。光电池的光电流因照射光的晃动而产生的波动比其他器件要小些。一般要使光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特性。对于微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以确保具有一定的信噪比以及输出足够强的电信号。

（3）光电检测器件参数的选择必须和光信号的调制形式、信号频率及波形匹配，以便得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。这时主要应选择响应时间短或上限截止频率高的器件，但在电路上要注意匹配好动态参数。

（4）光电检测器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、较宽的线性范围、较高的信噪比及快速的动态响应等。

（5）为使器件具有长期工作的可靠性，必须注意选择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，能保证器件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。使用时的环境温度也要考虑，若其超过温度的容限值，一般将引起器件特性的缓慢劣化。总之，只有让器件在额定条件下使用，才能保证器件稳定、可靠工作。