Si基-近红外光电探测器解析

光电探测器的几种类型红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子电子或空穴、，引起电学性能变化。

因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。

量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。

为了达到性能，一般都需要在低温下工作。

光电探测器可分为：1、光导型：又称光敏电阻。

入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。

从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。

截止波长由杂质电离能决定。

量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。

2、光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。

能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。

存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差。

外电路就有电压或电流信号。

与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。

这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。

3、光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。

充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模1024×1024甚至更大、焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。

有严格的低温要求。

用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。

PtSi/Si结构FPA是早制成的IRFPA。

4、量子阱探测器QWIP：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。

电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。

利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。

90年代以来发展很快，已有512×512、640×480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。

要正确选择光电探测器，首先要对探测器的原理和参数有所了解。

1.光电探测器光电二极管和普通二极管一样，也是由PN结构成的半导体，也具有单方向导电性，但是在电路中它不作为整流元件，而是把光信号转变为电信号的光电传感器件。

普通二极管在反向电压工作时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相较大，以便接收入射光。

光电二极管在反向电压工作下的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增加到几十微安，称为光电流。

光的强度越大，反向电流也越大。

光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换为电信号，称为光电传感器件。

2.红外探测器光电探测器的应用大多集中在红外波段，关于选择红外波段的原因在这里就不再冗余了，需要特别指出的是60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展，很多重要的激光器件都在红外波段，其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术，使雷达和通信都可以在红外波段实现，并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。

在此之前，红外技术仅仅能探测非相干红外辐射，外差接收技术用于红外探测，使探测性能比功率探测高好几个数量级。

另外，由于这类应用的需要，促使出现新的探测器件和新的辐射传输方式，推动红外技术向更先进的方向发展。

红外线根据波长可以分为近红外，中红外和远红外。

近红外指波长为0.75—3微米的光波，中红是指3—20微米的光波，远红外是指20—1000微米的波段。

但是由于大气对红外线的吸收，只留下三个重要的窗口区，即1—3,3—5和8—14可以让红外辐射通过。

因为有这三个窗口，所以可以被应用到很多方面，比如红外夜视，热红外成像等方面。

红外探测器的分类：按照工作原理可以分为：红外红外探测器，微波红外探测器，玻璃破碎红外测器，振动红外探测器，激光红外探测器，超声波红外探测器，磁控开关红外探测器，开关红外探测器，视频运动检测报警器，声音探测器等。

按照工作方式可以分为：主动式红外探测器和被动式红外探测器。

紫外探测器：碳化硅（SiC）材质，响应波段200-400nm。

应用：火焰探测和控制、紫外测量、控制杀菌灯光、医疗灯光的控制等。

————————————————————————————————————————————可见光探测器：硅（Si）材质，响应波段200-1100nm。

有室温、热电制冷两种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。

主要用在测温、激光测量、激光检测、光通信等领域。

————————————————————————————————————————————红外探测器（1）：锗（Ge）材质，响应波段0.8-1.8um，有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，有多种封装形式可选。

主要应用在光学仪表、光纤测温、激光二极管、光学通信、温度传感器等————————————————————————————————————————————红外探测器（2）：铟钾砷（InGaAs）材质，响应波段0.8-2.6um，波段内可以进行优化。

有室温、热电制冷、液氮制冷三种形式，可以带内置前放，可以配光纤输出，多种封装形式可选。

主要应用在光通信、测温、气体分析、光谱分析、水分分析、激光检测、激光测量、红外制导等领域。

————————————————————————————————————————————红外探测器（3）：砷化铟（InAs）材质，响应波段1-3.8um，有室温和热电制冷两种，可以配内置前放，多种封装形式可选。

主要用于激光测量、光谱分析、红外检测、激光检测等领域。

红外探测器（4）：锑化铟（InSb）材质，响应波段2-6um，液氮制冷，可以带内置前放，多种封装形式可选。

主要应用在光谱测量、气体分析、激光检测、激光测量、红外制导等领域。

————————————————————————————————————————————红外探测器（5）：硫化铅（PbS）材质，响应波段为1-3.5um，有室温和热电制冷两种，可以带内置前放，多种封装形式可选。

锗硅的红外探测器原理
锗硅红外探测器是一种利用锗硅材料制成的红外线探测器,可用于检测和成像红外线辐射。

它的工作原理主要基于锗硅的以下光电特性:
1. 锗硅是一种禁带宽度较窄的半导体材料,室温条件下具有很高的红外线吸收率,这使其可有效地吸收和检测红外线辐射。

2. 当红外线光子被锗硅材料吸收时,会激发出电子,在锗硅中产生电子-空穴对,从而导致电导率的变化。

通过测试电导率的变化情况,可以检测到入射红外线的强度。

3. 锗硅材料可以制作成PIN结构的光电二极管,它具有内部电场,吸收红外线后,电子-空穴对在内场作用下进行分离,形成可以测量的光电流。

4. 通过制作成二维或线阵列探测器,可以实现对红外线图像的扫描和重构。

5. 调节锗硅材料的掺杂可以调节它的探测波段,从近红外到远红外(0.8-30微米)都可实现检测。

6. 与其他红外探测器(如汞镉告或砷化镓)相比,锗硅工作温度高,不需要低温冷却,这简化了系统。

7. 锗硅制造工艺成熟,价格低廉。

总之,锗硅红外探测器具有高性能、无需制冷以及制作简单的特点,在民用和军事领域都有很广泛的应用。

它的工作原理是基于锗硅的半导体光电特性实现的。

si-pin探测器形成光谱原理
Si-pin探测器是一种半导体探测器，它利用硅（Si）作为主要材料，通过光电效应来形成光谱。

当光照射在Si-pin探测器上时，光子会与探测器中的电子相互作用，使电子从价带跃迁到导带，从而产生电流。

这个过程称为光电效应。

Si-pin探测器的光谱形成原理可以从能带理论的角度来解释。

在Si-pin探测器中，电子从价带跃迁到导带后，会在价带中留下一个空穴。

这个空穴会吸引其他电子来填充，从而形成电流。

这个电流的大小与入射光的能量成正比，因为入射光的能量越大，电子跃迁的数目就越多，产生的电流也就越大。

Si-pin探测器的光谱响应范围主要取决于其禁带宽度。

一般来说，Si-pin探测器的禁带宽度在1.1eV左右，对应的波长响应范围为300nm至1100nm。

在这个范围内，探测器对不同波长的光产生不同的响应，从而形成光谱。

需要注意的是，Si-pin探测器的性能不仅受到禁带宽度的影响，还受到其他因素的影响，如表面态、缺陷态等。

这些因素会降低探测器的量子效率，从而影响光谱的质量和准确性。

因此，在使用Si-pin 探测器时，需要选择高质量的材料和制造工艺，以获得更好的性能。

近红外光谱分析仪原理
近红外光谱分析仪是一种可以通过测量样品吸收、散射或透射近红外光的仪器，用于分析和确定样品中的化学成分或性质。

其工作原理基于近红外光与样品发生相互作用后产生的能量变化。

每种化学物质都有其特定的分子结构和化学键，因此它们对于不同波长的光有不同的吸收特性。

近红外光谱分析仪利用这一原理进行定量或定性分析。

其工作原理大致可以分为光源、样品传感器和信号处理三个主要部分。

首先，近红外光谱分析仪会通过一个光源产生一束包含不同波长的近红外光。

这种光通过一系列的透镜和光学器件进行聚焦和传输，最后照射到样品表面。

其次，样品表面的化学物质会吸收或散射部分近红外光。

这些吸收或散射过程会导致透射光中特定波长的光强发生变化。

近红外光谱分析仪会采用一个传感器，如光电二极管或光电探测器，来测量透射光的强度。

传感器会将吸收或散射光转化为电信号，并将其传送至信号处理部分。

最后，信号处理部分会对接收到的电信号进行处理和分析。

这些处理方法包括光谱解析、数学算法和化学模型等。

光谱解析可以通过比较样品的光谱特征与已知标准光谱进行拟合，从而确定样品中的化学成分。

数学算法则可以通过对光谱数据进行处理和加工，提取有关样品的相关信息。

化学模型则可以利用已知样品的光谱数据训练模型，从而实现对未知样品的分类或
定量分析。

综上所述，近红外光谱分析仪利用样品对近红外光的吸收或散射特性，通过测量透射光的强度和进行信号处理，实现对样品化学成分或性质的分析和确定。

这种仪器可以广泛应用于食品、药品、化工等各个领域，并在质量控制、过程监测和研究开发等方面发挥着重要作用。

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。