光电探测器的发展现状及分析

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1、光电探测器的发展现状及分析董涛1092110319(哈尔滨工业大学电子科学与技术黑龙江哈尔滨150001)【摘要】本文主要论述光电探测器的分类和原理，特性参数，发展历史和现状，同时，简单的总结各类光电探测器的特点和应用，最后，对于当代出现的新型光电探测器做简要的分析说明。【关键词】光电探测器，光电，探测器，发展现状0.引言光电探测器是一种利用光电效应将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的重要组成部分。光电探测器的发展历史由来已久，早在一百八十多年前，人们就已经发明了热电偶。由于光电探测器件在国防和人民生活中有重要的应用，其发展非常迅速。随着科技的发展，各种新型光电材料不断涌现，同时由于制造

2、工艺的提高，光电探测器的性能有了很大的改善。随着激光和红外技术的发展，很多情况下单个光电探测器已不能满足系统需求，因此，阵列（线阵和面阵）光电探测器应运而生。同时，人们对光电探测器提出了更多要求，希望探测器能集成化，小型化，提高性能，降低成本，提高稳定性等。因此，整理现有的光电探测器为进一步的深入研究打下基础是一项很重要的课题，本文的主要任务是系统全面的梳理光电探测器的基本知识，以期读者能从中能受到启发，对光电探测器有个全面的了解。1.光电探测器分类和原理1.1光电探测器分类第一种分类：按照光电探测器件的物理效应可分为两类：一类是利用各种光电效应的光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探测

3、器；1.光子探测器光子探测器的工作原理是基于光电效应，入射的光子和材料中的电子发生相互作用，若产生的光电子逸出材料表面，则称为外光电效应；若产生了被束缚在材料内的自由电子或空穴，则称为内光电效应。(1)外光电效应：光子发射效应；(1)内光电效应：光电导效应，光生伏特效应，光磁电效应。2.热探测器热探测器的工作原理是光热效应，材料吸收光辐射后可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的变化效应、气体体积和压强的变化效应等等，利用这些效应可制作各种热探测器。常用的光热效应有：热释电效应，温差效应，测辐射热效应。第二种分类：按照光电探测器件的空间分辨率也可分为两类：一类是成像器件，另一类是非

4、成像器件。1.成像器件利用光电探测器件，构成图像传感器，对可见光或者红外光谱进行测量，形成光学图像以供处理。主要有CCD和CMOS，广义上，眼睛也属于这类探测器。2.非成像器件所有除成像器件以外的光电探测器件均可称为非成像器件，各种热探测器和大部分光子探测器均属于这一类。1.2光电探测器原理1．光电子发射效应根据光的量子理论，频率为的光照射到材料表面时，材料中的电子将吸收的光子能量。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。逸出表面的光电子最大动能可有爱因斯坦方程描述：式中：=是光电子动能，是光电子质

5、量，是光电子离开材料表面的速度，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，=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==。当光频时，无论光强多大都不能产生光电子。但是当材料能产生光电流，则光电流的大小随光强的增加而增加。利用光子发射效应的探测器有：真空光电管、充气光电管、光电倍增管。其中，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。2．光电导效应入射光与材料相互作用，使束缚态的电子变成自由态，产生自由电子或空穴，这时在外电场作用下，流过材料的电流会增加，相当于电导增加。光电导效应可分

6、为两类：本征光电导和杂质光电导。本征光电导：电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带，同时价带中产生空穴，在外电场的作用下，电子——空穴对参与导电，使材料的光电导增加。要产生电子空穴对，光子的能量至少要和禁带一样宽：称为长波限，亦即截止波长，：禁带宽度。杂质光电导：光子使施主能级中的电子或者受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使材料的光电导增加。此时，长波限由杂质的电离能决定，即：因为，所以杂质光电导的长波限比本征光电导的长波限要长的多。利用光电导效应的探测器有：光敏电阻。3．光生伏特效应在无光照时，P—N结内多数载流子的漂移形成内部自建电场E，当有入射光照照射在P-N结及其附近时，结区及其附

7、近产生少数载流子，在内建电场作用下，少数载流子漂移，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，结果使N区带负电荷，P区带正电荷，产生了附加电动势，又称为光生电动势。如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的探测器也常称作光电二极管。图1.P—N结上的光电激发图2.光电导探测器应用利用光伏效应的探测器有：光电池，光电二极管，光电三极管，PIN，APD4．光磁电效应磁场可以将光