光電探測器的原理及其應用

劉鼎東

摘要：本文主要介紹了光敏探測器的基本原理以及利用該技術主要的兩種器件，即光電二極管和雪崩二極管的工作原理和應用，并且介紹了器件的性能參數，再結合現在市場上的實際情況對現在光敏探測器的應用以及前景進行了分析。

關鍵詞：光敏探測器；光電二極管；雪崩二極管

0 引言

在光電子系統中，最關鍵也是最重要的就是作為它的“眼睛”的部件，也就是光電探測器。它的優點是它非常靈敏，同時也具有人眼所不具有的對圖像的記憶、儲存、輸出以及顯示記錄的功能，但是同時其缺點也非常明顯，其一是由于自身原理的問題，它的光譜響應范圍僅限于400nm到760nm，但是對于波長在該范圍之外的紫外光和紅外光一般不能響應；其二是由于“眼睛”的視覺暫留現象，對于高頻信號不能清楚分辨。

光電探測器種類繁多，從原則上說只要在受到光照之后其物理性質變化的材料都可以用來制作光電探測器。現在最廣泛使用的光電探測器是利用光電效應進行工作的，光電效應又分為內光電效應和外光電效應：常見的光電管和光電倍增管是利用外光電效應工作的，即是由入射光子打在陰極材料上將其內部電子轟擊出來形成光電流，從而通過入射光強的改變進而檢測光信號；一些典型的半導體光電器件則是利用內光電效應來實現的，其是通過將光電材料內部的電子從低能態激發到高能態，從而激發出一個電子空穴對，稱為光生電子空穴對，通過檢測出它對半導體光電材料導電性能的改變，就可以檢測出光信號的改變[1]。

外光電效應和內光電效應的產生都是取決于入射光的波長λ和頻率υ，即光子能量E只與頻率υ有關，

式中h為普朗克常量。要能產生光電效應，每個光子的能量必須高于一定的數值，波長越短，即頻率越高，則每個光子的能量也就越大，越容易產生光電效應。

目前廣泛使用的光電探測器是光電二極管和雪崩光電二極管，它們都是由半導體材料制作而成的。內光電效應就發生在導帶和價帶之間，價帶中的電子吸收了入射光子的能量后被激發到導帶中，會在導帶中產生一個能自由運動的電子并且在價帶中產生一個空穴。空穴在價帶中的能量高于在導帶中的能量，在價帶中也可以自由運動，所以當入射光子在半導體內激發產生光生電子空穴對的時候，就會改變半導體的導電性能[2]。

原理如下圖1：

1光電二極管簡介

1.1 工作原理

光電二極管是一種能將光信號變成電信號的半導體器件，核心部分是一個PN結。與普通二極管相比，在結構上不同的是，為了便于接受入射光照，其PN結的面積盡量做的大一些，電極面積盡量小一些，并且PN結的結深很淺，一般小于1微米。

光電二極管一般都是在反向電壓作用之下工作的。在沒有光照時，反向電流很小，叫做暗電流；當有光照時，攜帶能量的光子在進入PN結之后，會把自身的能量傳給共價鍵上的束縛電子，使得部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子空穴對，被稱為光生載流子。

光電二極管、光電三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。光電二極管和普 通二極管一樣具有一個PN結，不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，實現光電轉換，在電路圖中文字符號一般為VD。光電三極管 除具有光電轉換的功能外，還具有放大功能，在電路圖中文字符號一般為VT。光電三極管因輸入信號為光信號，所以通常只有集電極和發射極兩個引腳線。同光電 二極管一樣，光電三極管外殼也有一個透明窗口，以接收光線照射[3]。

光電二極管工作V-I曲線如圖2：

1.2 主要性能參數

（1）響應率

響應特性也可以表達為量子效率，即光照產生的載流子數量與突發光照光子數的比例。

（2）暗電流

在光電導模式下，當不接受光照時，通過光電二極管的電流被定義為暗電流。暗電流包括了輻射電流以及半導體結的飽和電流。

（3）等效噪聲功率

等效噪聲功率（NEP）是指能夠產生光電流所需的最小光功率，與1赫茲時的噪聲功率均方根值相等。與此相關的一個特性被稱作是探測能力，它等于等效噪聲功率的倒數。等效噪聲功率大約等于光電二極管的最小可探測輸入功率[4]。

1.3 應用

PN結型光電二極管與其他類型的光探測器一樣，能夠根據接受光的強度來輸出相應的模擬信號或者在數字電路的不同狀態之間切換比如控制開關和數字信號處理。

光電二極管在消費電子產品方面，例如CD播放器、煙霧探測器以及控制電視機、空調的紅外線遙控設備中也有應用。對于許多產品來說，可以使用光電二極管或者其他光導材料，它們都可以被應用于測量光，通常被用于路燈亮度自動調節和手機的感光設備等。

在科學研究和工業中，光電二極管常常被用來精確測量光強，因為它比其他光導材料具有更良好的線性。

在醫療應用設備中，光電二極管也有著廣泛的應用，比如脈搏探測器以及X射線計算機斷層成像（CT）等。

2 雪崩二極管簡介

2.1 工作原理

在材料摻雜濃度較低的PN結中，當PN結的反向電壓增加時，空間電荷區中的電場也會隨之增強，這樣一來通過空間電荷區的電子和空穴就會在電場作用下使其自身能量增大。而在晶體中運動的電子和空穴將不斷的與晶體原子發生碰撞，當電子和空穴的能量足夠大時，通過這樣的碰撞的可使共價鍵中的電子激發形成自由的電子空穴對。新產生的電子和空穴也會朝著相反的方向運動繼而重新獲得能量，又可以通過碰撞再產生電子空穴對。這就是載流子的倍增效應。當反向電壓增大到某一數值后，載流子的倍增情況就像雪崩一樣，載流子增加得多且快。反向電流劇增，PN結就發生雪崩擊穿，利用該特點可制作高反壓二極管。

雪崩擊穿的示意圖如圖3：

2.2 應用

PN結加合適的高反向偏壓，使耗盡層中光生載流子受到強電場的加速作用從而獲得足夠高的動能，它們與晶格碰撞又會電離產生新的電子空穴對，這些載流子又不斷引起新的電離，造成載流子的雪崩倍增，得到電流增益。

其優化結構如圖4：

光的吸收層用銦鎵砷，即InGaAs材料，它對1.3μm和1.55μn的光具有高的吸收系數。為了避免InGaAs同質結隧道擊穿先于雪崩擊穿，把雪崩區與吸收區分開，即PN結要放在InP窗口層內[5]。由于InP材料中空穴離化系數大于電子離化系數，雪崩區選用n型 InP，n-InP與n-InGaAs異質界面存在較大價帶勢壘，易造成光生空穴的陷落，在其間夾入帶隙漸變的銦鎵砷磷過渡區，分別形成吸收、分級和倍增結構。

3 總結與展望

光電探測器件的應用選擇，實際上是應用時的一些事項或要點。在很多要求不太嚴格的應用中，可采用任何一種光電探測器件。不過在某些情況下，器件的選擇極大程度上決定了效果的好壞。

在動態特性方面，以光電倍增管和光電二極管，尤其是PIN二極管與雪崩二極管為最好。在光電特性方面，以光電倍增管、和光電池為最好；在靈敏度方面，以光電倍增管、雪崩二極管、光敏電阻和光電三極管為最好。在各種光敏探測器中，靈敏度高不一定就是輸出電流大，輸出電流大的器件有大面積光電池、光敏電阻、雪崩光電二極管和光電三極管。外加的偏置電壓最低的是光電二極管和光電三極管，光電池不需外加偏置。

近年來光電探測器在理論研究方面的發展并不多，但是在實際應用上依然很廣泛。相信在不久的將來，隨著其他一些傳感器或者探測器領域的發展，光電探測器還會在更多更廣泛的領域得到更多的應用。

參考文獻：

[1] 胡濤.光電探測器前置放大電路設計與研究[J].光電技術應用，2010，25（1）：52-55.

[2] 雷肇棣.光電探測器原理及應用[J].物理，1994（4）：220-226.

[3] 王立剛.基于光電二極管檢測電路的噪聲分析與電路設計[J].大慶石油學院學報，2009，33（2）：88-92.

[4] 馬鑫.光電二極管電參數模型及I_V轉換穩定分析[J].哈爾濱工業大學學報，2009，41（7）：89-92.

[5] 劉福浩.GaN基雪崩光電二極管及其研究進展[J].紅外與激光工程，2014，43（4）：1215-1221.