光电探测器的原理及其应用

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1、光电探测器的原理及其应用　　摘要：本文主要介绍了光敏探测器的基本原理以及利用该技术主要的两种器件，即光电二极管和雪崩二极管的工作原理和应用，并且介绍了器件的性能参数，再结合现在市场上的实际情况对现在光敏探测器的应用以及前景进行了分析。　　关键词：光敏探测器；光电二极管；雪崩二极管　　0引言　　在光电子系统中，最关键也是最重要的就是作为它的“眼睛”的部件，也就是光电探测器。它的优点是它非常灵敏，同时也具有人眼所不具有的对图像的记忆、储存、输出以及显示记录的功能，但是同时其缺点也非常明显，其一是由于自身原理的问题，

2、它的光谱响应范围仅限于400nm到760nm，但是对于波长在该范围之外的紫外光和红外光一般不能响应；其二是由于“眼睛”的视觉暂留现象，对于高频信号不能清楚分辨。6　　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。现在最广泛使用的光电探测器是利用光电效应进行工作的，光电效应又分为内光电效应和外光电效应：常见的光电管和光电倍增管是利用外光电效应工作的，即是由入射光子打在阴极材料上将其内部电子轰击出来形成光电流，从而通过入射光强的改变进而检测光信号；一些典型的半导体光电

3、器件则是利用内光电效应来实现的，其是通过将光电材料内部的电子从低能态激发到高能态，从而激发出一个电子空穴对，称为光生电子空穴对，通过检测出它对半导体光电材料导电性能的改变，就可以检测出光信号的改变[1]。　　外光电效应和内光电效应的产生都是取决于入射光的波长λ和频率υ，即光子能量E只与频率υ有关，　　式中h为普朗克常量。要能产生光电效应，每个光子的能量必须高于一定的数值，波长越短，即频率越高，则每个光子的能量也就越大，越容易产生光电效应。　　目前广泛使用的光电探测器是光电二极管和雪崩光电二极管，它们都是由半导体

4、材料制作而成的。内光电效应就发生在导带和价带之间，价带中的电子吸收了入射光子的能量后被激发到导带中，会在导带中产生一个能自由运动的电子并且在价带中产生一个空穴。空穴在价带中的能量高于在导带中的能量，在价带中也可以自由运动，所以当入射光子在半导体内激发产生光生电子空穴对的时候，就会改变半导体的导电性能[2]。　　原理如下图1：　　1光电二极管简介　　1.1工作原理　　光电二极管是一种能将光信号变成电信号的半导体器件，核心部分是一个PN结。与普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，其PN结的面积尽量

5、做的大一些，电极面积尽量小一些，并且PN结的结深很浅，一般小于1微米。6　　光电二极管一般都是在反向电压作用之下工作的。在没有光照时，反向电流很小，叫做暗电流；当有光照时，携带能量的光子在进入PN结之后，会把自身的能量传给共价键上的束缚电子，使得部分电子挣脱共价键，从而产生电子空穴对，被称为光生载流子。　　光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光电三

6、极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射[3]。　　光电二极管工作V-I曲线如图2：　　1.2主要性能参数　　（1）响应率　　响应特性也可以表达为量子效率，即光照产生的载流子数量与突发光照光子数的比例。　　（2）暗电流　　在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。　　（3）等效噪

7、声功率　　等效噪声功率（NEP）是指能够产生光电流所需的最小光功率，与1赫兹时的噪声功率均方根值相等。与此相关的一个特性被称作是探测能力，它等于等效噪声功率的倒数。等效噪声功率大约等于光电二极管的最小可探测输入功率[4]。6　　1.3应用　　PN结型光电二极管与其他类型的光探测器一样，能够根据接受光的强度来输出相应的模拟信号或者在数字电路的不同状态之间切换比如控制开关和数字信号处理。　　光电二极管在消费电子产品方面，例如CD播放器、烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中也有应用。对于许多产品来说，可以

8、使用光电二极管或者其他光导材料，它们都可以被应用于测量光，通常被用于路灯亮度自动调节和手机的感光设备等。　　在科学研究和工业中，光电二极管常常被用来精确测量光强，因为它比其他光导材料具有更良好的线性。　　在医疗应用设备中，光电二极管也有着广泛的应用，比如脉搏探测器以及X射线计算机断层成像（CT）等。　　2雪崩二极管简介　　2.1工作原理6　　在材料掺杂浓度较低的PN结中，当PN结的反向