光電探測器工作原理

光電探測器的基本工作機(jī)理包括三個過程：(1)光生載流子在光照下產(chǎn)生;(2)載流子擴(kuò)散或漂移形成電流;(3)光電流在放大電路中放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號。內(nèi)部光電效應(yīng)的類型很多，但是使用光電導(dǎo)效應(yīng)和光電效應(yīng)的檢測器是主流。當(dāng)探測器表面有光照射時，如果材料禁帶寬度小于入射光光子的能量即Eg<hv，則價帶電子可以躍遷到導(dǎo)帶形成光電流。

當(dāng)光在半導(dǎo)體中傳輸時，光波的能量隨著傳播會逐漸衰減，其原因是光子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了吸收。半導(dǎo)體對光子的吸收的吸收為本征吸收，本征吸收分為直接躍遷和間接躍遷。通過測試半導(dǎo)體的本征吸收光譜除了可以得到半導(dǎo)體的禁帶寬度等信息外，還可以用來分辨直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體。如果測量波長是紫外波段，則選用光電倍增管或?qū)ｉT的紫外光電半導(dǎo)體器件。本征吸收導(dǎo)致材料的吸收系數(shù)通常比較高，由于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)所以半導(dǎo)體具有連續(xù)的吸收譜。從吸收譜可以看出，當(dāng)本征吸收開始時，半導(dǎo)體的吸收譜有一明顯的吸收邊。但是對于硅材料，由于其是間接帶隙材料，與三五族材料相比躍遷幾率較低，因而只有非常小的吸收系數(shù)，同時導(dǎo)致在相同能量的光子照射下在硅材料中的光的吸收深度更大。直接帶隙材料的吸收邊比間接帶隙材料陡峭很多，如圖 畫出了幾種常用半導(dǎo)體材料(如 GaAs、InP、InAs、Si、Ge、GaP 等材料)的入射光波長和光吸收系數(shù)、滲透深度的關(guān)系。

光電探測器

有些情況下，不僅需要很高的響應(yīng)度，還需要很高的效率，否則會引入額外的噪聲。這可以用來探測光的壓縮態(tài)，也會影響單光子探測器的光子探測概率。1、成像器件利用光電探測器，構(gòu)成圖像傳感器，對可見光或者紅外光譜進(jìn)行測量，形成光學(xué)圖像以供處理。 當(dāng)探測激光二極管中發(fā)出的強(qiáng)發(fā)散光束時，需要考慮探測器的有源區(qū)大小。如果光源具有很大并且變化的光束發(fā)散角，很難在有源區(qū)全部探測到這些光。這時可以采用一個積分球來測量總功率。

半導(dǎo)體光電探測器是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)來接收和探測光信號的器件，它通過吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，從而在外電路產(chǎn)生與入射光強(qiáng)度成正比的光電流以方便測量入射光。半導(dǎo)體光電探測器又分為光導(dǎo)型和光伏型。光導(dǎo)型是根據(jù)光電導(dǎo)效應(yīng)制成，即當(dāng)光入射到半導(dǎo)體材料后，能改變其導(dǎo)電性能,且隨著光強(qiáng)的增加，其導(dǎo)電性能增強(qiáng)。如光敏電阻是一個可變電阻，有光照的部分電阻就降低，必須使光線照在兩電極間的全部電阻體上，以便有效地利用全部感光面。該類型的主要器件有光敏電阻。光伏型是根據(jù)光生伏應(yīng)制成，即當(dāng)光照射PN結(jié)時， 會使PN結(jié)兩端產(chǎn)生電勢差。該類型的主要器件為光敏二極管、光敦晶體管等。

紅外感應(yīng)開關(guān)是一種比較常 見的光電探測器，它通過感應(yīng)身體發(fā)出的紅外光，來實(shí)現(xiàn)對電路的開關(guān)。例如用于紅外感應(yīng)燈，當(dāng)有人靠近時，開關(guān)就會打開，電路開通，燈就會點(diǎn)亮;當(dāng)人離開時，開關(guān)就會關(guān)斷，電路斷路，燈就會熄滅，從而實(shí)現(xiàn)自動感應(yīng)的功能。當(dāng)光在半導(dǎo)體中傳輸時，光波的能量隨著傳播會逐漸衰減，其原因是光子在半導(dǎo)體中產(chǎn)生了吸收。半導(dǎo)體光電探測器由于體積小，重量輕，響應(yīng)速度快，靈敏度高，易于與其它半導(dǎo)體器件集成，是光源的探測器，可廣泛用于光通信、信 號處理、傳感系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。例如，光電探測器是光纖通信接收端的核心器件，它接收光信號并轉(zhuǎn)換將其為電信號。又例如，GaAs基阱紅外探測器是一 種新型的紅外探測器，可用在紅外焦平面陣列成像技術(shù)中，這在防御以及重要新型系統(tǒng)中起著重要作用(如監(jiān)視、跟蹤、識別、制導(dǎo)等)，其成像質(zhì)量優(yōu)于傳統(tǒng)的碲鎘探測器。