学文网摘要：本文主要介绍了光敏探测器的基本原理以及利用该技术主要的两种器件，即光电二极管和雪崩二极管的工作原理和应用，并且介绍了器件的性能参数，再结合现在市场上的实际情况对现在光敏探测器的应用以及前景进行了分析。
关键词：光敏探测器；光电二极管；雪崩二极管
0 引言
在光电子系统中，最关键也是最重要的就是作为它的“眼睛”的部件，也就是光电探测器。它的优点是它非常灵敏，同时也具有人眼所不具有的对***像的记忆、储存、输出以及显示记录的功能，但是同时其缺点也非常明显，其一是由于自身原理的问题，它的光谱响应范围仅限于400nm到760nm，但是对于波长在该范围之外的紫外光和红外光一般不能响应；其二是由于“眼睛”的视觉暂留现象，对于高频信号不能清楚分辨。
光电探测器种类繁多，从原则上说只要在受到光照之后其物理性质变化的材料都可以用来制作光电探测器。现在最广泛使用的光电探测器是利用光电效应进行工作的，光电效应又分为内光电效应和外光电效应：常见的光电管和光电倍增管是利用外光电效应工作的，即是由入射光子打在阴极材料上将其内部电子轰击出来形成光电流，从而通过入射光强的改变进而检测光信号；一些典型的半导体光电器件则是利用内光电效应来实现的，其是通过将光电材料内部的电子从低能态激发到高能态，从而激发出一个电子空穴对，称为光生电子空穴对，通过检测出它对半导体光电材料导电性能的改变，就可以检测出光信号的改变[1]。
外光电效应和内光电效应的产生都是取决于入射光的波长λ和频率υ，即光子能量E只与频率υ有关，
式中h为普朗克常量。要能产生光电效应，每个光子的能量必须高于一定的数值，波长越短，即频率越高，则每个光子的能量也就越大，越容易产生光电效应。
目前广泛使用的光电探测器是光电二极管和雪崩光电二极管，它们都是由半导体材料制作而成的。内光电效应就发生在导带和价带之间，价带中的电子吸收了入射光子的能量后被激发到导带中，会在导带中产生一个能自由运动的电子并且在价带中产生一个空穴。空穴在价带中的能量高于在导带中的能量，在价带中也可以自由运动，所以当入射光子在半导体内激发产生光生电子空穴对的时候，就会改变半导体的导电性能[2]。
原理如下***1：
1光电二极管简介
1.1 工作原理
光电二极管是一种能将光信号变成电信号的半导体器件，核心部分是一个PN结。与普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，其PN结的面积尽量做的大一些，电极面积尽量小一些，并且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光电二极管一般都是在反向电压作用之下工作的。在没有光照时，反向电流很小，叫做暗电流；当有光照时，携带能量的光子在进入PN结之后，会把自身的能量传给共价键上的束缚电子，使得部分电子挣脱共价键，从而产生电子空穴对，被称为光生载流子。
光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普 通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路***中文字符号一般为VD。光电三极管 除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路***中文字符号一般为VT。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电 二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射[3]。
光电二极管工作V-I曲线如***2：
1.2 主要性能参数
（1）响应率
响应特性也可以表达为量子效率，即光照产生的载流子数量与突发光照光子数的比例。
（2）暗电流
在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。
（3）等效噪声功率
等效噪声功率（NEP）是指能够产生光电流所需的最小光功率，与1赫兹时的噪声功率均方根值相等。与此相关的一个特性被称作是探测能力，它等于等效噪声功率的倒数。等效噪声功率大约等于光电二极管的最小可探测输入功率[4]。
1.3 应用
PN结型光电二极管与其他类型的光探测器一样，能够根据接受光的强度来输出相应的模拟信号或者在数字电路的不同状态之间切换比如控制开关和数字信号处理。
光电二极管在消费电子产品方面，例如CD播放器、烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中也有应用。对于许多产品来说，可以使用光电二极管或者其他光导材料，它们都可以被应用于测量光，通常被用于路灯亮度自动调节和手机的感光设备等。
在科学研究和工业中，光电二极管常常被用来精确测量光强，因为它比其他光导材料具有更良好的线性。
在医疗应用设备中，光电二极管也有着广泛的应用，比如脉搏探测器以及X射线计算机断层成像（CT）等。
2 雪崩二极管简介
2.1 工作原理
在材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结的反向电压增加时，空间电荷区中的电场也会随之增强，这样一来通过空间电荷区的电子和空穴就会在电场作用下使其自身能量增大。而在晶体中运动的电子和空穴将不断的与晶体原子发生碰撞，当电子和空穴的能量足够大时，通过这样的碰撞的可使共价键中的电子激发形成自由的电子空穴对。新产生的电子和空穴也会朝着相反的方向运动继而重新获得能量，又可以通过碰撞再产生电子空穴对。这就是载流子的倍增效应。当反向电压增大到某一数值后，载流子的倍增情况就像雪崩一样，载流子增加得多且快。反向电流剧增，PN结就发生雪崩击穿，利用该特点可制作高反压二极管。
雪崩击穿的示意***如***3：
2.2 应用
PN结加合适的高反向偏压，使耗尽层中光生载流子受到强电场的加速作用从而获得足够高的动能，它们与晶格碰撞又会电离产生新的电子空穴对，这些载流子又不断引起新的电离，造成载流子的雪崩倍增，得到电流增益。
其优化结构如***4：
光的吸收层用铟镓砷，即InGaAs材料，它对1.3μm和1.55μn的光具有高的吸收系数。为了避免InGaAs同质结隧道击穿先于雪崩击穿，把雪崩区与吸收区分开，即PN结要放在InP窗口层内[5]。由于InP材料中空穴离化系数大于电子离化系数，雪崩区选用n型 InP，n-InP与n-InGaAs异质界面存在较大价带势垒，易造成光生空穴的陷落，在其间夹入带隙渐变的铟镓砷磷过渡区，分别形成吸收、分级和倍增结构。
3 总结与展望
光电探测器件的应用选择，实际上是应用时的一些事项或要点。在很多要求不太严格的应用中，可采用任何一种光电探测器件。不过在某些情况下，器件的选择极大程度上决定了效果的好坏。
在动态特性方面，以光电倍增管和光电二极管，尤其是PIN二极管与雪崩二极管为最好。在光电特性方面，以光电倍增管、和光电池为最好；在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。在各种光敏探测器中，灵敏度高不一定就是输出电流大，输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管。外加的偏置电压最低的是光电二极管和光电三极管，光电池不需外加偏置。
近年来光电探测器在理论研究方面的发展并不多，但是在实际应用上依然很广泛。相信在不久的将来，随着其他一些传感器或者探测器领域的发展，光电探测器还会在更多更广泛的领域得到更多的应用。
参考文献：
[1] 胡涛.光电探测器前置放大电路设计与研究[J].光电技术应用，2010，25（1）：52-55.
[2] 雷肇棣.光电探测器原理及应用[J].物理，1994（4）：220-226.
[3] 王立刚.基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计[J].大庆石油学院学报，2009，33（2）：88-92.
[4] 马鑫.光电二极管电参数模型及I_V转换稳定分析[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（7）：89-92.
[5] 刘福浩.GaN基雪崩光电二极管及其研究进展[J].红外与激光工程，2014，43（4）：1215-1221.
转载请注明出处学文网 » 光电探测器的原理及其应用