光电探测器

光电探测器

作者：小白你可以的

摘要

本文研究了近期崛起的高科技新秀：光电探测器。本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器，使大家对光电探测器有一个初步的理解。了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料，而且对研发新的光电探测器有所帮助

一、 简单介绍引入

光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时，性质会发生各种变化的材料。光电探测器能把辐射信号转换为电信号。辐射信号所携带的信息有：光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等，其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示，从而进行探测。 光电探测器的发展历史：

1826年，热电偶探测器→1880，金属薄膜测辐射计→1946，热敏电阻→20世纪50年代，热释电探测器→20世纪60年代，三元合金光探测器→20世纪70年代，光子牵引探测器→20世纪80年代，量子阱探测器→近年来，阵列光电探测器、电荷耦合器件（CCD）

这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面，都有着不可或缺的作用。

二、 光电探测材料的分类。

由于器件对辐射响应的方式不一样，以此可将光电探测器分为两大类，分别是光子探测器和热探测器。

光子探测器

光电子发射探测器光电导探测器

热探测器

热释电探测器

光伏探测器热敏电阻热电偶

1光子探测器：光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起○

步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。 光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。

2利用光热效应制作的元件叫做热探测器，同时也叫热电探测器。○（光热效应指

的是当材料受光照射后，光子能量会同晶格相互作用，振动变得剧烈，温度逐渐升高，由于温度的变化，而逐渐造成物质的电学特性变化）。 若将光电探测器按其他种类分类，则

按应用分类：金属探测器，非成像探测器（多为四成像探测器），成像探测器（摄像管等）。

按波段分类：红外光探测器（硫化铅光电探测器），可见光探测器（硫化镉、硒化镉光敏电阻），紫外光探测器。

三、 工作原理

光电探测器是如何工作的呢？

1热探测器 ○

热探测器的工作原理是基于光电材料吸收光辐射能量后温度升高，从而改变其电学性能，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。

热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。

具体例子：

（1）热胀冷缩效应：液态的水银温度计及气动的高莱池。 （2）Seebeck效应（第一热电效应）：热电偶和热电堆。

（3）石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。

（4）测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。

另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器。 ★（5）自发极化强度随温度的变化而变化效应：Pyroelectric detector（热释电探测器）。

因为热释电探测器在热探测器中探测率最高，而且频率响应最宽，所以这类探测器很受重视，发展很快。下面重点探讨一下热释电探测器的工作原理。 在某些晶体（如碳酸钡、硫酸锂）的上、下面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外辐射间歇地照射时，其表面温度会上升△T，这时晶体内部的原子排列将产生变化，从而引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压。

目前认为比较有发展前途的晶体：

J=dPdPd?T ?d?td?Tdt若热电系数为p，p=

菲涅尔透镜 dPd?T（用来描述热电效应的强弱），则J=p。 d?Tdt极性相反，特性一致。 目的是为了消除环境和自身变化引起的干扰。 接电源正极 接信号源

【菲涅尔透镜：主要作用是只允许波长在10μm左右的红外辐射(人体发出的红外线波长)通过，而将灯光、太阳光及其他辐射拒在门外，从而抑制外界的干扰。】

当有人侵入探测区域内时，人体产生的红外辐射会通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收。由于角度不同，两片晶体接收到的热量不同，产生的热释电能量也不一样，不能完全抵消，经处理电路处理后将输出控制信号。利用此原理，可制成离走开关（用于灯，空调，电扇等电器），或者生物探测仪等。

2光子探测器 ○

光子探测器与热探测器的最大区别是光子探测器对光辐射的波长有选择性。光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件，是一种电流放大器件。它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。尤其，光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测；但它的缺点是结构复杂，体积较大，工作电压高。光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。

根据光电子探测器的分类：

1光电子发射探测器Photoemissive detector： ○

原理：外光电效应，当光照射到某种物质时，若光子能量足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子溢出物质的表面（光电子）。

爱因斯坦方程：光子能量 = 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能

12mv?W；W?hf0； 21hf???Em；hf0??;Em?mvm2

2hf?【其中h是普朗克常数（h?6.63?10?34J?s），f是入射光子的频率，φ是功

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