下载文档原格式
光电探测器原理及应用
光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，其基本原理是利用光的能量激发材料中的电子从而产生电流。
根据光电效应的不同机制，光电探测器通常可以分为光电二极管、光电导、光电二极管阵列等多种类型。
光电二极管是最基本的光电探测器之一，其工作原理是光照射到光敏材料表面时，材料中的电子会被光激活并跃迁至导带中，从而形成电流。
光电二极管具有响应速度快、灵敏度高等特点，广泛应用于光通信、光谱分析、光电测量等领域。
光电导是一种利用光照射后材料电阻发生变化的光电探测器，其工作原理是光激发后，光电导材料中的载流子浓度发生改变，从而引起电阻的变化。
光电导具有较高的灵敏度和较宽的光谱响应范围，可广泛应用于光谱分析、光学测量、遥感等领域。
光电二极管阵列是由多个光电二极管组成的阵列结构，可以同时检测多个光信号，具有高灵敏度和高分辨率的特点。
光电二极管阵列常被用于光通信、图像传感、光谱分析等领域，如CCD（电荷耦合器件）摄像头就是经典的光电二极管阵列应
用之一。
此外，光电探测器还广泛应用于激光测距仪、扫描仪、光电子显像、医学诊断、环境监测等领域。
例如，激光测距仪利用光电探测器检测激光脉冲的发射和接收时间差，实现对目标距离的测量；扫描仪利用光电探测器对扫描光线的反射或透射光进行检测，实现图像的数字化处理和存储。
总之，光电探测器通过将光信号转化为电信号，实现了光能量的检测和测量。
其应用领域广泛，并在科学研究、工业生产、医疗诊断等领域发挥着重要的作用。
光电探测器的发展现状与分析摘要概述了光电探测器的分类和基本原理，并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状，预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景关键词光电探测器分类原理发展现状一光电探测器原理光子型探测器（photon detector）利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光电型探测器。
探测器中的电子直接吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。
用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。
这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。
在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成光电流。
光电倍增管与光电管的差别在于，在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极（称为打拿极）。
从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞，发生倍增效应，最后形成较大的光电流信号。
因此，光电倍增管具有比光电管高得多的灵敏度。
红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴极、阳极和一个简单的电子光学系统组成。
光电子在受到阳极加速的同时又受到电子光学系统的聚焦，当它们撞击在与阳极相连的磷光屏上时，便发出绿色的光像信号特点：入射光子和材料中的电子发生各种直接相互作用即光电子效应所用的材料：大多数为半导体。
根据效应发生的部位和性质分为1. 外光电效应：发生在物质表面上的光电转化现象，主要包括光阴极直接向外部发射电子的现象。
典型的例子是物质表面的光电发射。
这种效应多发生于金属和金属物。
2. 内光电效应：指发生在物质内部的光电转化现象，特别是半导体内部载流子发生效应，这种效应多发生于半导体内。
二光电探测器分类2.1 外光电效应探测器外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是外光电效应，逸出物质表面的电子叫做光电子2.11 光电管光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。
光电探测器原理与应用光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件，是现代光电技术中的重要组成部分，广泛应用于通信、医学、物理学等领域。
本文将从光电探测器的原理、种类以及应用进行探讨。
一、光电探测器的原理光电探测器的原理基于光电效应，即光能被物质吸收后，其中的光子能激发物质内部的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对，产生电流和电势差，将光信号转换为电信号并放大处理。
而光电探测器的基本结构，则由光敏材料、光电转换部件、电荷放大器等组成，具有宽频带、高响应速度等特点。
二、光电探测器的种类光电探测器主要分为以下几种：①硅光电二极管硅光电二极管是一种常见的光电探测器，其结构简单，大小小巧，响应速度快，但灵敏度较低。
硅光电二极管的光电转换部件为PN结，探测范围为红外线波段。
②掺铟镓光电二极管掺铟镓光电二极管响应范围为近红外至中红外波段，具有较高的灵敏度和响应速度，广泛应用于红外光谱分析、制导弹道等领域。
③掺铊锗光电二极管掺铊锗光电二极管响应范围为中红外波段，具有较高的探测率和灵敏度，广泛应用于红外光谱分析、空间测量等领域。
④光电倍增管光电倍增管响应范围涵盖紫外线至近红外波段，具有高灵敏度、高信噪比和低失真等特点，广泛应用于低光强度信号的检测和测量。
⑤光伏噪声探测器光伏噪声探测器是一种激光光源的光功率变化探测器，响应波长范围覆盖整个光谱，具有高信噪比、高稳定性等特点，广泛应用于光通信、激光测距、光谱分析等领域。
三、光电探测器的应用光电探测器具有广泛的应用领域，其中主要包括：①光通信光电探测器在光通信中起到重要作用，光电二极管和光电倍增管是常用的探测器。
光电探测器接收光信号并转换为电信号，再经过解调和放大处理后，完成光通信中数据的传输和接收。
②光谱分析光电探测器在光谱分析领域中广泛应用，通过对不同波长的光线进行探测和分析，完成对样品的化学成分、结构和性质的测量和研究。
掺铟镓光电二极管和光伏噪声探测器是常用的光谱探测器。
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
光电探测器技术发展综述光电探测器技术发展综述随着科技的不断进步，光电探测器技术也在不断发展。
光电探测器是一种将光信号转化为电信号的设备，广泛应用于光通信、光电子学、生物医学、环境监测等领域。
本文将对光电探测器技术的发展进行综述。
首先，我们回顾一下光电探测器技术的起源。
早在19世纪末，人们就开始研究光电效应，即光照射到某些物质表面时会引起电子的排斥或吸引。
爱因斯坦通过对光电效应的解释，为光电探测器的发展奠定了基础。
随着半导体技术的进步，半导体光电探测器逐渐取代了真空光电二极管成为主流。
20世纪60年代，发光二极管（LED）的问世，极大地推动了光电探测器技术的发展。
LED不仅可以作为发射器件，还可以作为探测器件，实现光电转换的双向功能。
此外，光电二极管的灵敏度和响应速度也得到了大幅提升。
进入21世纪，随着纳米科技的兴起，纳米级光电探测器成为研究的热点。
纳米级光电探测器具有体积小、灵敏度高、响应速度快等优势，可以应用于微纳光电子学和生物医学等领域。
例如，石墨烯光电探测器具有极高的载流子迁移率和宽广的光谱响应范围，成为研究的热点之一。
此外，光电探测器的集成化趋势也日趋明显。
随着集成电路技术的不断进步，光电探测器与其他元件的集成成为可能。
例如，光电探测器与光放大器、光滤波器的集成，可以实现光通信系统的高性能和小尺寸化。
光电探测器技术的发展也带动了光通信技术的飞速发展。
光通信技术作为一种高速、大容量的通信方式，已经在互联网和通信领域中得到广泛应用。
光电探测器的灵敏度和响应速度的提升，使得光通信系统的性能得到了极大的提高。
总之，光电探测器技术的发展经历了从真空光电二极管到半导体光电探测器，再到纳米级光电探测器的演变过程。
随着集成化和纳米技术的不断发展，光电探测器技术在光通信、光电子学、生物医学等领域的应用前景将更加广阔。
我们期待着未来光电探测器技术的进一步突破和创新。
光电探测器原理一、概述光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的器件，广泛应用于光通信、光电子技术、医学影像等领域。
本文将从光电探测器的基本原理、结构和工作方式等方面进行探讨。
二、基本原理光电探测器的基本原理是光电效应。
光电效应是指当光照射到某些物质表面时，会引起物质中的电子发生跃迁，从而产生电流。
根据光电效应的不同特点，光电探测器可以分为光电发射型和光电吸收型两种。
2.1 光电发射型光电发射型探测器基于光电效应中的光电发射现象。
当光照射到具有光电发射性质的材料表面时，材料中的电子会受到光的激发，从而跃迁到导体中，产生电流。
常见的光电发射型探测器有光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube）等。
2.2 光电吸收型光电吸收型探测器基于光电效应中的光电吸收现象。
当光照射到具有光电吸收性质的材料表面时，光子能量被材料吸收，产生电子和空穴对，从而形成电流。
常见的光电吸收型探测器有光电二极管、光电三极管（Phototransistor）和光电导型（Photovoltaic）探测器等。
三、结构和工作方式光电探测器的结构和工作方式有多种不同的设计，下面以光电二极管为例进行介绍。
3.1 结构光电二极管由P型和N型半导体材料构成，中间有一个PN结。
当光照射到PN结时，会产生电子和空穴对，进而形成电流。
为了提高探测器的效率，常常在PN结上加上透明导电膜层，以增加光的吸收和电流的输出。
3.2 工作方式光电二极管的工作方式主要分为正向偏置和反向偏置两种。
3.2.1 正向偏置正向偏置是指将PN结的P端与正电压相连，N端与负电压相连。
在正向偏置下，当光照射到PN结时，产生的电子和空穴会被电场加速，形成电流。
正向偏置的光电二极管常用于光电转换和光通信等领域。
3.2.2 反向偏置反向偏置是指将PN结的P端与负电压相连，N端与正电压相连。
在反向偏置下，当光照射到PN结时，产生的电子和空穴会被电场阻碍，形成很小的电流。
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetecto）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectric detector(Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) has become amajor new challenge. Especially high response speed ，high quantumefficiency, and low dark current high-performance photodetector, is not onlythe needs for development of optical communication technology, but alsorealize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has the very highresearch value. This paper reviews the development of different characteristics andresults of photodetector for the past decade, and discusses the photodetector developmentdirection in the next few years,the study of high performance photoelectric detector,the structure, and related technology, manufacturing, has very importantpractical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1 概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
（光电导效应是指在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化的象。
即当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化，产生光电导效应。
）1.2分类根据器件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⑴：一类是光子探测器；另一类是热探测器。
根据形态也可分为两大类：一是真空光电器件；另一类是固体光电器件。
固体光电器件又包括光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管等。
1.3工作原理光电探测器的基本工作机理包括三个过程：（1）光生载流子在光照下产生；（2）载流子扩散或漂移形成电流；（3）光电流在放大电路中放大并转换为电压信号。
当探测器表面有光照射时，如果材料禁带宽度小于入射光光子的能量即Egvhv，则价带电子可以跃迁到导带形成光电流。
当光在半导体中传输时，光波的能量随着传播会逐渐衰减，其原因是光子在半导体中产生了吸收。
半导体对光子的吸收最主要的吸收为本征吸收，本征吸收分为直接跃迁和间接跃迁。
通过测试半导体的本征吸收光谱除了可以得到半导体的禁带宽度等信息外，还可以用来分辨直接带隙半导体和间接带隙半导体。
本征吸收导致材料的吸收系数通常比较高，由于半导体的能带结构所以半导体具有连续的吸收谱。
从吸收谱可以看出，当本征吸收开始时，半导体的吸收谱有一明显的吸收边。
但是对于硅材料，由于其是间接带隙材料，与三五族材料相比跃迁几率较低，因而只有非常小的吸收系数，同时导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。
直接带隙材料的吸收边比间接带隙材料陡峭很多，图1-1画出了几种常用半导体材料（如GaAs、InP、In As、Si、Ge、GaP 等材料）的入射光波长和光吸收系数、渗透深度的关系[2]o1.4光电探测器的性能指标光电探测器的性能指标主要由量子效率、响应度、响应速度和本征带宽、光生成的电子-空穴对个数 入射光子数1 0%(1- S 'ae ) A/W 。
响应度I p 电流，暗电流和噪声等指标组成:1.量子效率：（wa 表示吸收层的厚度，a s 表示光吸收系数，入射波长 入、材料消光系数k 决定吸收系数 a S=4n k/入。
）考虑实际情况，入射光在探测器表面会被反射。
同时探测器表面存在一定宽度的接触掺杂区域，其中也会产生光子的消耗，考虑 以上两种因素的量子效率的表达式：二(1 - RJ e"s d (1 - e'sWa )其中d 表示接触层厚度，Rf 表示光电探测器表面的反射率。
反射率与界面 的折射率nsc 和吸收层的消光系数 K 有关，Rf 可以表示成下式：2•响应度：定义为光电探测器产生光电流与入射光功率比，单位通常为 与量子效率的大小有关，为量子效率的外在体现。
响应度R :V p'p 表示光电探测器产生的光电流, 下式表示： Pr 代表入射光功率。
则量子效率可变为(1 - 仏)2 2(1 nJ 2P r P r=JLp/qP/hv 进而可得响应度的公式为：2D ei 4hv ⑦可知响应度与量子效率成正比，由于硅材料本身为间接带隙，所以材料的量 子效率较低，硅基光电探测器的响应度也较小。
3、响应速度与本征带宽响应速度可以用光生载流子的渡越时间表示，载流子的渡越时间外在的频率 响应的表现就是探测器的带宽。
光生载流子的渡越时间在光生电流变化中表现为 两部分：上升时间和下降时间。
通常取上升时间和下降时间中的较大者衡量探测 器的响应速度。
决定探测器响应速度的因素主要有：⑴、耗尽区载流子渡越时间：载流子的渡越时间是影响探测器响应速度的最重要因素，当耗尽区电场强度达到最大时， V d 表示载流子的最大漂移速度， W 表 示耗尽区宽度，那么载流子的渡越时间为： V d ⑧⑵耗尽区外载流子扩散时间：载流子扩散的速度较慢，同时大多数产生于耗尽区 之外的载流子的寿命非常短，复合发生速度快。
所以扩散运动只对距离耗尽区范 围较近的载流子才能通过扩散运动达到耗尽区中，并在电场中漂移产生光电流。
De 表示载流子的扩散系数，d 表示扩散距离，则扩散时间如下式：⑶光电二极管耗尽区电容：越大，响应速度就越慢。
为了达到最优的探测器的响应速度，需要在探测器的吸收层厚度和光电探测 器的面积中折衷。
如增大探测器材料的吸收层厚度可以有效减小耗尽区平板电 容，同时可增大吸收层厚度可以提高探测器的量子效率。
但是吸收层厚度的增加 导致耗尽区宽度的变大，是光生载流子渡越时间变长而有可能降低探测器的响应 速度。
⑷暗电流和噪声光电流指在入射光照射下光电探测器所产生的光生电流，暗电流可以定义为 没有光入射的情况下探测器存在的漏电流。
其大小影响着光接收机的灵敏度大 小，是探测器的主要指标之一。
暗电流主要包括以下几种：①耗尽区中边界的少 子扩散电流；②载流子的产生一复合电流，通过在加工中消除硅材料的晶格缺陷， 可以有效减小载流子的产生一复合电流，通常对于咼纯度的单晶硅产生一复合电 流可以降低到2 〔O^A/mm 2以下；③表面泄漏电流，在制造工艺结束时,对芯片表面进行钝化处理，可以将表面漏电流降低到 10 "A/mm?量级。
当 然，暗电流也受探测器工作温度和偏置电压的影响。
探测器的暗电流与噪声是分D — 5、探测度D ： NE P不开的，通常光电探测器的噪声主要分为暗电流噪声、散粒噪声和热噪声： a 暗 电流噪声：对于一个光电探测器来讲，可接收的最小光功率是由探测器的暗电流 决定的，所以减小探测器的暗电流能提高光接收机的灵敏度； b 散粒噪声：当探 测器接收入射光时，散粒噪声就产生于光子的产生 -复合过程中。
由于光生载流 子的数量变化规律服从泊松统计分部，所以光生载流子的产生过程存在散粒噪 声；c 热噪声：由于导体中电子的随机运动会产生导体两端电压的波动，因此就 会产生热噪声。
光电探测器的电路模型中包含的电阻为其热噪声的主要来源。
4、噪声等效功率NEP :单位信噪比时的入射光功率。
Pvs/v nmax 6线性度:1・5光电探测器的选择与主要应用1.5.1光电探测器的应用选择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，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［3］，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，采用光电倍增管最合适，因为其放大倍数可达 100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 ⑷，使得 对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，固体光电探测器用途非常广。
CdS 光敏电阻因其成本低而在光亮面积 的器件，它除用做探测器件外，还可作太阳能变换器；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，困而在各种 工业控制中获得应用。
硅雪崩管由于增益高、响应快、噪声小，因而在激光测距 与光纤通信中普遍采用⑷。
<1>、光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。
