光电探测器简介、现状及分析

光电探测器的发展现状及分析 摘要

概述了光电探测器的分类和基本原理，并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状，预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景

关键词

光电探测器 分类 原理 发展现状

一 光电探测器原理

光子型探测器（ photon detector） 利用外光电效应或内光电效应制成的辐射探测器，也称光电型探测器。探测器中的电子直接吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号，常用于探测红外辐射和可见光。

用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成光电流。光电倍增管与光电管的差别在于，在光电倍增管的光电阴极与阳极之间设置了多个电位逐级上升并能产生二次电子的电极（称为打拿极）。从光电阴极逸出的光电子在打拿极电压的加速下与打拿极碰撞，发生倍增效应，最后形成较大的光电流信号。因此，光电倍增管具有比光电管高得多的灵敏度。红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴极、阳极和一个简单的电子光学系统组成。光电子在受到阳极加速的同时又受到电子光学系统的聚焦，当它们撞击在与阳极相连的磷光屏上时，便发出绿色的光像信号

特点：入射光子和材料中的电子发生各种直接相互作用即光电子效应 所用的材料：大多数为半导体。 根据效应发生的部位和性质分为

1. 外光电效应：发生在物质表面上的光电转化现象，主要包括光阴极直接向外部发射电子的现象。典型的例子是物质表面的光电发射。这种效应多发生于金属和金属物。

2. 内光电效应：指发生在物质内部的光电转化现象，特别是半导体内部载流子发生效应，这种效应多发生于半导体内。

二 光电探测器分类

2.1 外光电效应探测器

外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量 足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是外光电效应，逸出物质表面的电子叫做光电子

2.11 光电管

光电管（phototube）基于外光电效应的基本光电转换器件。光电管可使光信号转换成电信号。光电管分为真空光电管和充气光电管两种。光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替。 光电管原理是光电效应。一种是半导体材料类型的光电管，它的工作原理光电二极管又叫光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。当光照强度增加时，PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多，如果二极管反偏，则反向电流增大，因此，光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。光电二极管是一种特殊的二极管，它工作在反向偏置状态下。常见的半导体材料有硅、锗等。如我们楼道用的光控开关。还有一种是电子管类型的光电管，它的工作原理用碱金属（如钾、钠、铯等）做成一个曲面作为阴极，另一个极为阳极，两极间加上正向电压，这样当有光照射时，碱金属产生电子，就会形成一束光电子电流，从而使两极间导通，光照消失，光电子流也消失，使两极间断开光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的 波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用，在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。 光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ，光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响

2.12 光电倍增管

将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。（《中国大百科全书·电子学与计算机》） 电倍增管是进一步提高光电管灵敏度的光电转换器件。管内除光电阴极和阳极外，两极间还放置多个瓦形倍增电极。使用时相邻两倍增电极间均加有电压用来加速电子。光电阴极受光照后释放出光电子，在电场作用下射向第一倍增电极，引起电子的二次发射，激发出更多的电子，然后在电场作用下飞向下一个倍增电极，又激发出更多的电子。如此电子数不断倍增，阳极最后收集到的电子可增加 104～108倍，这使光电倍增管的灵敏度比普通光电管要高得多，可用来检测微弱光信号。光电倍增管高灵敏度和低噪声的特点使它在光测量方面获得广泛应用 由于光电倍增管增益高和响应时间短，又由于它的输出电流和入射光子数成正比，所以它被广泛使用在天体光度测量和天体分光光度测量中。其优点是：测量精度高，可以量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。天文测光中，应用较多的是锑铯光阴极的倍增管,如RCA1P21。这种光电倍增管的极大量子效率在4200埃附近，为20％左右。还有一种双硷光阴极的光电倍增管,如GDB-53。它的信噪比的数值较RCA1P21大一个数量级，暗流很低。为了观测近红外区，常用多硷光阴极和砷化镓阴极的光电倍增管，后者量子效率最大可达50％。普通光电倍增管一次只能测量一个信息，即通道数为1。近来研制成多阳极光电倍增管,它相当于许多很细的倍增管组成的矩阵。由于通道数受阳极末端细金属丝的限制，目前只做到上百个通道。

光电倍增管可分成4个主要部分，分别是：光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统、阳极。

2.2 内光电效应探测器

是光电效应的一种，主要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压

光生伏特效应：基于半导体PN结基础上的一种将光能转化成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流的现象。 现代很多光电探测器都是基于内光电效应，其中光激载流子保留在材料内部，最重要的内光

电效应时光电导，本征光电导吸收一个光子，就会从价带激发到导带，产生一个自由电子，同时在价带产生一个空穴。对材料施加的电场导致了电子和空穴都通过材料传输，并随之在探测器电路中产生电流。基于内光电效应的探测器有光电导探测器，光伏探测器等等。

2.21 光电导探测器

利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PRO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成

工作原理和特性：光电导效应是内光电效应的一种。当照射的光子能量hv等于或大于半导体的禁带宽度Eg时，光子能够将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子、空穴对,这就是本征光电导效应。这里h是普朗克常数，v是光子频率,Eg是材料的禁带宽度（单位为电子伏）。因此，本征光电导体的响应长波限λc为 λc=hoc/Eg=1.24/Eg (μm) 式中 c为光速。本征光电导材料的长波限受禁带宽度的限制. 凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CBS、Cd Se、Cd Te、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、Pb Se、In-Sb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-excited、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；Cdr、Cd Se、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。

2.22 光伏探测器

用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。这类器件品种很多，其中包括： 光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等

光伏探测器是在紫外、可见光、近红外、中波红和远红外这些光学波段上展开的。首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电探测器变成电信号输出，虽然点测量方法灵活多样，看测参数众多，但广电探测器的工作原理均是其余物质的光电效应。

三 国内外发展现状

3.1 英特尔高性能硅基雪崩光电探测器

2008年12月7日，英特尔公司宣布其研究团队在硅光电子学领域取得了又一项重大的技术突破，成功使用基于硅的雪崩光电探测器（Silicon-based Avalanche Photodector）实现了创世界纪录的高性能，这款雪崩光电探测器使用硅和CMOS工艺实现了有史以来最高的340GHz“增益-带宽积”，这为降低40Gbps或更高数据传输速度的光学链路的成本开启了大门，同时也第一次证明了硅光电子元器件的性能可以超过现有的使用磷化铟（lnP）等更昂贵传统材料制造的光电子元器件的性能。作为一项新兴技术，硅光电子学（Silicon Photonics）利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息发送和接收。此项技术也可以应用于对带宽需求高度远程医疗和3D虚拟世界等未来数据密集型计算领域。 3.2日本研制成高性能256×256长波量子点红外光电探测器

量子点红外光电探测器（QDIP）由于可以用成熟的常规GaAs工艺制备，近年来已受到人们的广泛关注。它不仅能够探测正入射光，而且还能在较高的温度下工作。这些都是量子阱红外光电探测器（QWIP）所难以比拟的。

日本国防部技术研究与发展研究所电子系统研究中心通过与富氏实验室有限公司等单位合作，用以分子束外延方法生长的自组装量子点多层膜研制出了一种256×256像素长波红外QDIP焦平面阵列该红外焦平面阵列的像元间隔为40μm，读出电路采用直接注入式输入结构，积分时间为8ms，帧速为120Hz，F数为

2.5，工作温度为80K，为了评价该红外焦平面阵列的性能，研究人员将其装在一个集成探测器制冷机组件内，在80K温度下对其输出进行了测量。结果显示，该阵列的峰值响应波长为10.3μm，噪声等效温差为87mK。

3.3一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析

随着光波分复用通信技术的发展，具有波长选择特性和高响应速度的光探测器已经在光通信中显示出了它的巨大优势。一种新型的光电探测器——谐振腔增强型光电探测器（Resonant Cavity Enhanced Photodetector,RCEP）

【4】

，该RCEP

的基本结构是将吸收层插入到谐振腔当中。由于谐振腔的增强效应使其在较薄的吸收层情况下即可获得较高的量子效率，同时减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，提高了器件的响应速度，因而能够解决传统探测器量子效率和响应速度之

间的相互制约矛盾。此外，由于谐振腔的作用使该器件本身具有波长选择特性，无需外加滤波器，因而有可能成为波分复用光钎通信系统中的新一代光探测器。

这种谐振腔增强型光探测器将光学滤波器和光电探测器通过F-P微腔巧妙地集成在一起，其独特结构解决了普通光探测器量子效率与载流子渡越时间相互制约的问题，使其在量子效率和响应速度方面获得很大改进。其具有的波长选择特性，使这种新型器件可广泛应用于光探测器、光调制器、发光二极管等多种光电器件。

四 总结

在节能环保被日益关注的今天，如果有更为灵敏光电探测器件，就可以显著降低激光的功率，从而达到大幅降低能耗的目的。

除此之外，我们还可以将这种器件与一些高精尖的前沿领域联系在一起：例如量子密码领域，需要探测单个光子的存在，这种硅基雪崩光电探测器的性能如果进一步提高，检测到单个光子的可能性是存在的。

我们还会联想到CCD——一种用于相机等成像设备的核心部件。凭借硅基雪崩光电探测器超高的灵敏度，我们可以造出高性能的二维光探测矩阵，可以在红外成像、遥感等领域发挥很大的作用，在卫星、军事和激光雷达等领域都将会有广阔的应用空间

主要参考文献

【1】 赵维 . 一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析.电子设计工

程.2010.5

【2】 易可佳等 . 一种下一代激光雷达的设计与实现.2011.10

及百度百科 百度文库

间的相互制约矛盾。此外，由于谐振腔的作用使该器件本身具有波长选择特性，无需外加滤波器，因而有可能成为波分复用光钎通信系统中的新一代光探测器。

这种谐振腔增强型光探测器将光学滤波器和光电探测器通过F-P微腔巧妙地集成在一起，其独特结构解决了普通光探测器量子效率与载流子渡越时间相互制约的问题，使其在量子效率和响应速度方面获得很大改进。其具有的波长选择特性，使这种新型器件可广泛应用于光探测器、光调制器、发光二极管等多种光电器件。

四 总结

在节能环保被日益关注的今天，如果有更为灵敏光电探测器件，就可以显著降低激光的功率，从而达到大幅降低能耗的目的。

除此之外，我们还可以将这种器件与一些高精尖的前沿领域联系在一起：例如量子密码领域，需要探测单个光子的存在，这种硅基雪崩光电探测器的性能如果进一步提高，检测到单个光子的可能性是存在的。

我们还会联想到CCD——一种用于相机等成像设备的核心部件。凭借硅基雪崩光电探测器超高的灵敏度，我们可以造出高性能的二维光探测矩阵，可以在红外成像、遥感等领域发挥很大的作用，在卫星、军事和激光雷达等领域都将会有广阔的应用空间

主要参考文献

【1】 赵维 . 一种新型谐振腔增强型光电探测器的性能分析.电子设计工

程.2010.5

【2】 易可佳等 . 一种下一代激光雷达的设计与实现.2011.10

及百度百科 百度文库

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