光辐射信息探测器件是光辐射信息的接收器，它是利用物质的光电与热电效应把光辐射信号转换成电信号的器件。这种对应转换的电信号，经放大与模/数转换等，就可供后续的计算机处理。因此，光辐射信息探测器件的性能，对光电系统与安防监控系统的性能影响很大，如缩小系统的体积、减轻系统的重量、增大系统的作用距离等。它在军事上、空间技术、公共安全和其他的科学技术以及工农业等生产上，都得到了广泛的应用。显然，光辐射信息探测器件对光电信息系统与安防监控系统都是必不可少而且非常重要的。
光辐射信息探测器件的类型和特点
根据光辐射信息探测器件对辐射作用方式的不同（或说工作机理的不同），一般可分为光电探测器件（或光敏器件）和热电探测器件（或热敏器件）两大类。
1.光电探测器件
（1）光电探测器件的类型。
- 光电发射型探测器件，如光电管和光电倍增管；
- 光电导型探测器件，如光敏电阻：
- 光伏型探测器件，如光电池与光电二/三极管等。
（2）光电探测器件的特点。
- 响应波长有选择性，因这些器件都存在某一截止波长为，超过此波长，器件无响应；
- 响应速度快，一般为纳秒到几百微秒；
- 峰值灵敏度高，其比探测率D*=1010~10'6cmHz1/2/W,即探测率已达到背景限；
- 长波段探测需低温制冷。
2.热电探测器件
（1）热电探测器件的类型。
- 热电偶和热电堆；
- 热敏电阻；
- 热释电探测器等。
（2）热电探测器件的特点。
- 响应波长无选择性，即它对从可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感；
- 响应慢，即吸收辐射产生信号需要的时间长，一般在几毫秒以上；
- 灵敏度低，其探测率只有背景限的1/10,理想的O*接近1.81xl01（）cmHzI/2/W;
- 无须制冷，可在室温下工作。
光辐射信息探测器件的基本特性参数
各种光辐射信息探测器件，由于它们的工作原理及结构各不相同，因此需用多个参数来说明其特性。本节将讨论这些器件共有的常用参数，以便于后面具体介绍器件。
1.有关响应方面的特性参数
（1）响应度（或称为灵敏度）。响应度（或称灵敏度）是光辐射信息探测器件最重要的参数，它是其输出信号与输入辐射功率之间关系的度量。描述的是光辐射信息探测器件的光-电转换效能。定义为光辐射信息探测器件输出电压U。或输出电流I0与入射光功率Pi（或通量Φ之比。即
式中，Sv和S分别称为电压响应度（或灵敏度）和电流响应度（或灵敏度）。由于光辐射信息探测器件的响应度（或灵敏度）随入射光的波长而变化，因此又有光谱响应度和积分响应度。
（2）光谱响应度。光谱响应度（或灵敏度）SGI）是光辐射信息探测器件的输出电压或输岀电流与入射到检测器件上的单色辐通量（或光通量）之比。即
式中，S（λ）为光谱响应度，Φ(λ）为入射的单色辐通量或光通量。如果Φ(λ）为光通量，则S(λ）的单位为V/lm或A/lm。
光谱响应度表述入射的单色通量或光通量所产生的探测器的输出电压（或电流）其值越大,则意味着探测器越灵敏，因而响应度也称为灵敏度。
（3）积分响应度。积分响应度表示探测器对连续辐射通量的反应程度，对包含有各种波长的辐射光源，总光通量为
光电探测器输岀的电流或电压与入射总光通量之比称为积分响应度。由于光辐射信息探测器输出的光电流是由不同的波长的光辐射引起的，所以输出光电流应为
由式（3-3）和式（3-4）可得积分响应度为
式中，λ0、λ1分别为光辐射信息探测器的长波限和短波限。由于釆用不同的辐射源，甚至具有不同色温的同一辐射源，所发生的光谱通量分布也不相同，因此提供数据时，应指明采用的辐射源及其色温。
（4）响应时间。响应时间是描述光辐射信息探测器对入射辐射响应快慢的一个参数，即当入射辐射到光辐射信息探测器后，或入射辐射遮断后，光辐射信息探测器的输岀上升到稳定值，或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。为衡量响应时间的长短，常用时间常数r的大小来表示。当用一个辐射脉冲照射光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光辐射信息探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从10%上升到90%峰值处所需的时间称为探测器的上升时间tr,而把从90%下降到10%处所需的时间称为下降时间tf。如图3-1所示。
（5）频率响应。由于光辐射信息探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐射的频率对光辐射信息探测器的响应将会有较大的影响。光辐射信息探测器的响应随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应，利用时间常数可得到光辐射信息探测器响应度与入射调制频率的关系，其表达式为
式中，S（f）为频率f时的响应度；So为频率是零时的响应度；τ为时间常数（等于RC）。
当
时，可得到放大器的上限截止频率，如图3-2所示。
时，可得到放大器的上限截止频率，如图3-2所示。
图 3-1 上升时间和下降时间 图3-2 光电探测器的频率响应曲线
显然，时间常数RC决定了光辐射信息探测器件频率响应的带宽。
2.有关噪声方面的参数
从响应度的定义来看，好像只要有光辐射存在，不管它的功率如何小，都可探测出来。但事实并非如此。当入射辐射功率很低时，输出只是些杂乱无章的变化信号，而无法肯定是否有辐射入射在探测器上。这并不是因探测器不好引起的，而是它所固有的“噪声"引起的。如果对这些随时间而起伏的电压（流）按时间取平均值，则平均值等于零。但这些值的均方根值不等于零，这个均方根电压（流）称为探测器的噪声电压（流）。
（1）光辐射信息探测器件的噪声。下面主要介绍器件的内部噪声，即基本物理过程所决定的噪声，它们主要有以下几种。
①热噪声。也称为约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。当温度高于绝对零度时，导体或半导体中每一电子都携带着1.59x10l9C的电量作随机运动（相当于微电脉冲）,尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压，其均方值为
用噪声电流表示为
式中，R是导体阻抗的实部；k是玻尔兹曼常数；T是导体的绝对温度；△f是测量系统的噪声带宽。式（3-9）说明，热噪声存在于任何电阻中：热噪声与温度成正比；热噪声与频率无关。说明噪声是各种频率分量组成，就像白光是由各种波长的光组成一样，所以热噪声可称为白噪声。
②散粒噪声。也称为散弹噪声，即穿越势垒的载流子的随机涨落（统计起伏）所造成的噪声。在每个时间间隔内，穿过势垒区的载流子数或从阴极到阳极的电子数都围绕一平均值上下起伏。理论证明，这种起伏引起的均方噪声电流为
式中，/DC是流过器件的电流直流分量（平均值）；g为电子电荷。散粒噪声也是白噪声。
③产生-复合噪声。载流子的产生率与复合率在某个时间间隔也会在平均值上下起伏，这种起伏导致载流子浓度的起伏，从而也产生均方噪声电流，其表达式为
式中，I是流过器件的平均电流；T为流子平均寿命；t漂为载流子在器件两电极间的平均漂移时间；f为频率。因此，这种噪声不是白噪声。
但是，如果频率很低，且满足
这时的产生复合噪声，即白噪声。
这时的产生复合噪声，即白噪声。
④I/f噪声。也称闪烁噪声或低频噪声。它是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在。当电流流过时，在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。其经验式为
式中，Kf为与元件制作工艺、材料尺寸、表面状态等有关的比例系数；a为与流过元件的电流有关，通常a=2；β为与元件材料性质有关，其值在0.8-1.3间，大部分材料β=1；y为与元件阻值有关，一般在1.4〜1.7之间。
当其他参数不变时，/Nf与1/f成比例，所以称为1/f噪声。显然，频率越低，噪声越大，故也称低频噪声。这种噪声不是白噪声，而属于“红”噪声，相当于白光的红色部分。
（2）衡量噪声的参数。
①信噪比（S/N）。信噪比是判定噪声大小通常使用的参数，它是在负载电阻RL上产生的信号功率与噪声功率之比，即
若用分贝（即dB）表示，则为
利用S/N评价两种光电器件性能时，必须在信号辐射功率相同的情况下才能比较。但对单个光电器件，其S/N的大小与入射信号辐射功率及接收面积有关。如果入射辐射强，接收面积大，S/N就大，但性能不一定就好。因此，用S/N评价器件有一定的局限性。
②等效噪声输入（EN1）。即器件在特定带宽内（1Hz）产生的均方根信号电流恰好等于均方根噪声电流值时的输入通量，此时，其他参数，如频率、温度等都应加以规定。这个参数是在确定光辐射信息探测器件的探测极限（以输入通量为瓦或流明表示）时使用。
③噪声等效功率（NEP）。实际上就是最小可探测功率Pmin。它定义为信号功率与噪声功率之比为1（即S/N=l）时，入射到探测器件上的辐射通量（单位为瓦）。即
值得指出的是，NEP只有在ENI的单位为瓦时，才与之等效。一般，一个良好的探测器件的NEP约为IO"W。显然，NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。
④探测率D与归一化探测率D*。探测率D定义为噪声等效功率的倒数，即
显然，D越高，器件性能越好。为了在不同带宽内，对测得的不同的光敏面积的探测器件进行使用了归一化探测率（也称为比探测率）D*这一参数。其表达式为
式中，A/为光敏面积；△f为测量带宽。
⑤暗电流/d。即光辐射信息探测器件仅在加有电源时，而没有输入信号和背景辐射时所流过的电流。一般，测量其直流值或平均值。显然，不加电源的光辐射信息探测器件，在没有输入信号和背景辐射时，其暗电流为零。
3.其他参数
（1）量子流速率 N 与量子效率η（λ）。量子效率是评价光电器件性能的一个重要参数，它是在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。因此，为了求出量子效率，必须先求出每秒入射的光量子数，以及每秒内产生的光电子数。
由第1章知，单位波长的辐射通量为Φeλ，波长增量dλ内的辐射通量为Φeλdλ，而单个光量子的能量为hv=hc/λ，所以在此窄带内的辐射通量，除以单个光量子的能量hv，即为每秒入射的光量子数。这个每秒入射的光量子数，也就是量子流速率N，即
显然，每秒产生的光电子数，也就是产生的信号电荷Is除以电子电荷q,即
式中，Is为信号电流；q为电子电荷。由此，在某一特定波长上每秒内产生的光电子数与入射光量子数之比，即为量子效率η(λ）,其表达式为
理论上，若η(λ）=1,则表明入射一个光量子就能发射一个电子或产生一对电子空穴对；但实际上，η(λ）＜1。一般，η(λ）反映的是入射辐射与最初的光敏元的相互作用。对于有增益的光电器件（如光电倍增管等），水人）会远大于1,此时我们一般会使用增益或放大倍数这个参数。
（2）线性度。线性度用于描述探测器件的光电特性或光照特性曲线输出信号与输入信号保持线性关系的程度，即在规定的范围内，探测器件的输出电量精确地正比于输入光量的性能。在这规定的范围内，探测器件的响应度是常数，这一规定的范围就称为线性区。
光辐射信息探测器件线性区的大小，与探测器后的电子线路有很大关系。因此，要获得所要的线性区，必须设计有相应的电子线路。线性区的下限一般由器件的暗电流和噪声因素决定,上限由饱和效应或过载决定。光电探测器件的线性区还随偏置、辐射调制及调制频率等条件的变化而变化。
线性度是辐射功率的复杂函数，它是指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度，通常用非线性误差d来度量。
式中，△max为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；I1、I2分别为线性区中的最小和最大响应值。
显然，在光电检测技术中，线性是应认真考虑的问题之一，尤其在光度和辐射度等测量中十分重要，一般应结合具体情况进行选择和控制。
（3）工作温度。通常，当光辐射信息探测器件工作温度不同时，其性能会有变化。例如，像HgCdTe探测器一类的器件在低温（77K）工作时，有较高的信噪比，而信掺铜光电导器件在4K左右时，能有较高的信噪比，但如果工作温度升高，它们的性能逐渐变差，以致无法使用；用：又例如，InSb器件，工作温度在300 K时，长波限为7.5 μm，峰值波长为6μm，Dλ为1.9×10*cmHz2W1；而工作温度变化 77 K 时，长波限为 5.5 μm，峰值波长为 5 μm，D*λ为4.3×1010cmHz//2W1，其变化非常明显。对于热探测器件，由于环境测试变化会使响应度、D*以及噪声发生变化，所以工作温度就是指光辐射信息探测器件最佳工作状态时的温度，它也是光辐射信息探测器件的重要性能参数之一，
由于光电发射型探测器件在安防系统设备中基本未采用，因而这里不做介绍。以下主要讨论半导体光电导型与光伏型的探测器件及其在安防中的应用。
