光电探测器概述

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1、光电信号检测第二章光电探测器概述§2－1发展简况与分类一、发展简述最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探测器。其中，热电偶早在1826年就已发明出来。从上世纪五十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，因此近年来有关热释电探测器的研究工作特别活跃，发展异常迅速。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。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。由于这种器件在军事和民用中

2、的重要性，发展非常迅速。10/4/20212随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化，即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、提高稳定性并便于装配到系统中去。电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要方面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测器阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输。10/4/20213光电子效应——大多数是半导体材料内光电效应：基于光电导、光伏特和光电磁效

3、应，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，材料中出现光生自由电子和空穴的现象称为内光电效应。外光电效应：基于光电子发射效应，在吸收了大于红外波长的光子能量以后，材料中的电子逸出材料表面的现象称为外光电效应。二、光电探测器分类按探测机理的物理效应可分为两大类：一类是利用各种光子效应的光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探测器。10/4/20214分类效应探测器光电探测器光子探测器外光电效应光电子发射效应光电管光电子倍增效应光电倍增管、像增强管内光电效应光电导效应光敏电阻光生伏特效应光电池、光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管、肖特基势垒光电二极

4、管等光磁电效应光电磁探测器热探测器热释电效应热释电探测器温差电效应热电偶、热电堆测辐射热效应热敏电阻10/4/202151．光子探测器在光电探测器的发展中，最受重视的是入射光子和材料中的电子发生各种相互作用的光电子效应。几乎所有情况下，所用的材料都是半导体。在众多的光电子效应中，只有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应和光电磁效应得到广泛的应用。10/4/20216(1)光电子发射探测器利用光电子发射效应的制成探测器称为光电子发射探测器。光电子发射效应也称外光电效应。入射辐射的作用是使电子从光电阴极表面发射到周围的空间中，即产生光电子发射。条

5、件：产生光电子发射所需光电能量取决于光电阴极的逸出功。因此，光电子发射有个长波限，光子能量hc／λ低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。波段：可见光和近红外（<1.25μm）特点：响应快、灵敏度高10/4/20217光电导效应：入射辐射与晶格原子或杂质原子的束缚电子相互作用，产生自由电子－空穴对（本征光电导）、自由电子或空穴（非本征光电导），从而

6、使半导体材料的电导增加的效应。本征光电导：λ0：长波限（截止波长）；Eg：禁带宽度（2）光电导探测器导带价带光激发电子空穴本征光电导10/4/20218非本征光电导：当入射光子没有足够能量产生自由电子一空穴对，但能激发杂质中心时，激发产生自由电子(n型半导体)或自由空穴(p型半导体)，便形成非本征光电导或称杂质光电导。非本征光电导的长波限是Ei：杂质电离能导带价带光激发电子空穴受主能级施主能级非本征光电导10/4/20219可见光及近红外波段的光电导探测器可在室温(295K)下工作；长波限较长(4～5μm)的探测器，需要致冷到干冰温度(195K)

7、；许多种光电导探测器，需要致冷到液氮温度(77K)；工作在8～14μm大气窗口的光电导探测器都要致冷到77K；长波限更长的探测器要求在更低的温度下工作，如Ce：Au非本征光电导探测器要求60K的工作环境。结论：长波限越长，工作温度越低。光电导探测器应用的电路：入射辐射使光电导探测器的电导发生变化，从而在负载两端产生随入射辐射变化的输出信号。10/4/202110内光电效应光生伏特效应：半导体材料受光照射产生电动势的现象。类型：（几乎都是本征型）光电二极管雪崩光电二极管pn结、pin结、肖特基势垒等材料：与光电导探测器基本相同。（3）光伏探测器10

8、/4/202111原理：当入射光子在p—n结及其附近产生电子－空穴对时，光生载流子受势垒区电场作用，电子漂移到n区，空穴漂移到p区。如果