光电探测器原理

　　光电探测器能把光信号转换为电信号，根据光电探测器对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器;另一类是热探测器。

　　Z早用来探测可见光辐射和红外辐射的光电探测器是热探测器。其中，热电偶早在1826年就已发明出来。1880年又发明了金属薄膜测辐射计。1947年制成了金属氧化物热敏电阻测辐射热计。1947年又发明了气动探测器。经过多年的改进和发展，这些光电探测器日趋完善，性能也有了较大的改进和提高。

　　从20世纪50年代开始人们对热释电探测器进行了一系列研究工作，发现它具有许多独特的优点，一度使这个领域研究很活跃。但是，与光子探测器相比，这些光电探测器的探测率仍较低，时间常数也较大。

　　应用广泛的光子探测器，除了发展Z早、技术上也Z成熟、响应波长从紫光到近红外的光电倍增管以外，硅和锗材料制作的光电二极管、铅锡、Ⅲ～Ⅴ族化合物、锗掺杂等光电探测器，目前均已达到相当成熟的阶段，主要性能已接近理论极限。

　　1970年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引探测器。其主要用于CO2激光的探测。八十年代中期，出现了利用掺杂的GaAs/AlGaAs材料、基于导带跃迁的新型光探测器——量子阱探测器。这种器件工作于8～12μm波段，工作温度为77K。

　　现在，光电探测器的发展主要集中在红外，已开始研制第三代红外探测器，并提出了第三代红外热像仪的概念，主要是双色或三色高性能、高分辨率、制冷型热像仪和智能焦平面阵列探测器。因此红外探测技术较长远的发展趋势是开发出第三代。

　　由于红外光电探测器技术的不断完善，从光电探测器芯片上提升技术已相当困难。为进一步提高性能，人们现在把注意力转到红外光电探测器的信号读出集成电路(ROIC)上。随着计算机技术和集成电路的发展，ROIC已有很大的进展，中规模的红外焦平面阵列和

　　光电探测器是由辐射引起被照射材料电导率发生改变，其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。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。

　　1、光电子发射效应

　　根据光的量子理论，频率为v的光照射到材料表面时，材料中的电子将吸收hv的光子能量。若电子所增加的能量除了克服与晶格或其它电子碰撞损失的能量外，尚有一定的能量足以克服材料表面的势垒w，那么该电子将逸出材料表面进入空间。

　　逸出表面的光电子Zda动能可有爱因斯坦方程描述：Ek=hv-w式中：Ek=1/2mv2是光电子动能，m是光电子质量，v是光电子离开材料表面的速度，w是材料的逸出功。

　　光电子的动能与光照强度无关，仅随入射光的频率增加而增加，临界情况下，Ek=0即光电子刚能到达材料表面。此时的入射光频率称为极限频率v0=v=w/h。当光频v 查看全文

　　光电探测器就是把光信号转为电信号的一种器件，在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等;在红外波段主要用于红外热成像、红外遥感等方面。

　　光电探测器是光电探测系统的核心，根据需要实现的功能，以及光电探测器的原理，特性参数，使用环境，注意事项等，选择合适的光电探测器至关重要。

　　一、外光电效应器件

　　1、真空光电管

　　特点：①挡光作用小，受光面积大，对聚焦光斑的大小要求不严格;

　　②光电子路程相同，渡越时间一致，极间电容小，高频特性好;

　　③可承受较大电流，线性度好;

　　④收集光电子效率低，灵敏度低，体积大，易破损;

　　应用：光功率测量，光信号记录，电影电视，紫外——可见分光光度计。

　　2、光电倍增管

　　特点：①光谱响应宽，灵敏度高;

　　②低功耗，低噪声，高分辨率;

　　③要求工作电压非常稳定，入射光功率不能太高;

　　④需要金属外壳屏蔽干扰，体积较大。

　　应用：光子计数，极微弱光探测，极低能射线探测，生化分析仪器，扫描电镜。

　　二、内光电效应器件

　　1、光敏电阻

　　特点：①价格低，体积小，质量轻，机械强度高，抗过载能力强，寿命长;

　　②灵敏度高，光谱响应范围宽;工作电流大;

　　③易饱和，受温度影响大，频率特性差。

　　应用：光控开关，紫外、红外、可见光探测器。

　　2、光电二极管

　　特点：①体积小，频率特性好性好;

　　②灵敏度高，工作频率宽，响应速度快;

　　③定向性探测，光谱响应在可见光和红外;

　　④PIN输出电流小;

　　⑤APD受温度影响大，稳定性差。

　　应用：光纤通信，激光测距，微弱信号探测。

　　3、光电三极管

　　特点：①光电流和灵敏度比光电二极管高;

　　②线性度差，易饱和;

　　③频率特性和温度特性差。

　　应用：光电控制，光电开关，光电逻辑元件，不适合做光电探测。

　　三、热探测器件

　　1、热释电器件

　　特点：①频率响应宽，时间常数小

　　光电探测器的应用选择，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。

　　①光电探测器动态特性(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Z好;

　　②光电探测器光电特性(即线性)方面，以光电倍增管、光电二极管和光电池为Z好;

　　③光电探测器灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为Z好。值得指出的是，灵敏度高不一定就是输出电流大，而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;

　　④光电探测器外加偏置电压Zdi的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加偏置;

　　⑤光电探测器暗电流方面，光电倍增管和光电二极管Z小，光电池不加偏置时无暗电流，加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大;

　　⑥光电探测器长期工作的稳定性方面，以光电二极管、光电池为Z好，其次是光电倍增管与光电三极管;

　　⑦光电探测器光谱响应方面，以光电倍增管和CdSe光敏电阻为Z宽，但光电倍增管响应偏紫外方向，而光敏电阻响应偏红外方向。

　　光电探测器的应用选择，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，选用某种器件会更合适些。例如，当需要比较大的光敏面积时，可选用真空光电管，因其光谱响应范围比较宽，故真空光电管普遍应用于分光光度计中。当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时，采用光电倍增管Z合适，因为其放大倍数可达10^7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，使得对光电探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此，在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面，光电倍增管得到广泛应用。

　　目前，固体光电探测器用

　　红外光电探测器是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。现代红外光电探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。

　　20世纪，红外光电探测器首先受到军事部门的关注，它实现了黑暗中的目标探测、保密通讯等。

　　Z初的红外光电探测器采用点源探测技术，该方法将目标看作一个热点源，以此来探测、锁定并追踪目标。由于获得的特征信息量十分有限，且非常容易受到各类红外、激光等干扰，因此单元探测基本不具备目标识别的能力。随着计算机技术、光电子技术等发展，光电对抗越来越强烈，简单的点源式探测技术面临重大挑战，逐渐发展为多元探测技术，可以获取较丰富的目标信息。

　　20世纪80年代研发的多元红外光电探测器面阵凝视成像系统探测元数量达到103～106量级，可以直接置于红外物镜的焦平面上，实现所谓的大角度“凝视”，电子脉冲代替了光学机械扫描体制。系统灵敏度可提高两个量级且可同时处理多个目标，体积缩小、重量减轻、响应更快、可靠性提高，在军事上有更突出的适用性。

　　目前，红外光电探测器正朝着中波红外、长波红外双波段甚至多波段方向发展。红外光电探测器将具备像素更高、帧速率更快、热分辨率更强、多色化和智能化等特征。

　　红外对于我们来说其实并不陌生，经科学研究显示凡是温度超过零度的物体都能产生热辐射，当物体温度低于1725℃物体产生的热辐射光谱都会集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外光波。自然界的物体由于本身的物理、化学性质、本身温度的不同所产生的红外辐射的波长和距离也不尽相同。

　　通常我们将这些红外波分为以下三个波段：

　　1、近红外：波长范围0.75～3μm

　　2、中红外：波长范围3～25μm

　　3、远红外：波长范围25～1000μm

　　人体辐射的红外光波长3～50μm，其中8～14μm占46

　　紫外光电探测器不仅在工作时不易受长波电磁干扰，可以在很强的电磁辐射环境中工作，并且具有很好的隐蔽性，它不是通过主动向外辐射电磁波的形式向目标发射探测信号，而是通过被动接收紫外线辐射来辨认目标的，大大地避免了其本身位置的暴露。紫外光电探测器技术在军事和民用的多个领域内都有着非常广泛的应用。

　　为了满足人们的需求，高性能、高稳定性、高可靠性的紫外光电探测器，尤其是能在极端和恶劣条件下工作的探测器的研发显得尤为重要。紫外光电探测器作为紫外探测系统的核心部件，其性能指标对紫外探测系统的可靠性和准确性有着至关重要的影响。

　　紫外光电探测器的发展主要分为3个阶段。

　　diyi阶段以紫外光电倍增管为代表，具有稳定性好、响应速度快、暗电流低、电流增益高等优点。虽然光电倍增管能实现高响应的紫外探测，但是光电倍增管需要大功率电源和阴极制冷，因此体积大、功耗大、价格高，并且还需要在低温高电压下才能工作。另外，探测器必须使用光学窗口材料和滤光片，因此很不利于实际应用。

　　第二阶段Si基紫外光电探测器应运而生。但是Si材料的禁带宽度较小，光谱响应在红外区，而且Si基紫外光电探测器对紫外全波段叶没有较高的响应，所以可见光YZ比较低，可靠性不高。此外Si基紫外光电探测器必须要加装非常昂贵的滤波器才能减小或消除可见光或者红外线对探测结果的影响，有选择性地实现在紫外波段工作。再加上紫外光在Si材料表面受到强烈的吸收，入射深度较浅，故Si基紫外光电探测器的量子效率略低，并且Si材料抗辐照能力差，受滤波器较大体重的影响，这些探测器在航空航天等领域的应用受到限制。

　　随着科技的进步，紫外光电探测器在新的领域取得了突破，这就是日益发展起来的第3代宽禁带半导体材料。采用宽禁带半导体(如ZnO基、GaN基、SiC及金刚石等)的紫外光电探测器为高性能紫外光电探测器的研究和应用开发注入了新的活力。