光電探測器的原理及其應(yīng)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(shù)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(yīng)用，并且介紹了器件的性能參數(shù)，再結(jié)合現(xiàn)在市場上的實(shí)際情況對現(xiàn)在光敏探測器的應(yīng)用以及前景進(jìn)行了分析。

關(guān)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(tǒng)中，最關(guān)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(yōu)點(diǎn)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(diǎn)也非常明顯，其一是由于自身原理的問題，它的光譜響應(yīng)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(yīng)；其二是由于“眼睛”的視覺暫留現(xiàn)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(zhì)變化的材料都可以用來制作光電探測器?，F(xiàn)在最廣泛使用的光電探測器是利用光電效應(yīng)進(jìn)行工作的，光電效應(yīng)又分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)：常見的光電管和光電倍增管是利用外光電效應(yīng)工作的，即是由入射光子打在陰極材料上將其內(nèi)部電子轟擊出來形成光電流，從而通過入射光強(qiáng)的改變進(jìn)而檢測光信號；一些典型的半導(dǎo)體光電器件則是利用內(nèi)光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，其是通過將光電材料內(nèi)部的電子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，從而激發(fā)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(dǎo)體光電材料導(dǎo)電性能的改變，就可以檢測出光信號的改變[1]。

外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的產(chǎn)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(guān)，

式中h為普朗克常量。要能產(chǎn)生光電效應(yīng)，每個光子的能量必須高于一定的數(shù)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(chǎn)生光電效應(yīng)。

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(dǎo)體材料制作而成的。內(nèi)光電效應(yīng)就發(fā)生在導(dǎo)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(fā)到導(dǎo)帶中，會在導(dǎo)帶中產(chǎn)生一個能自由運(yùn)動的電子并且在價帶中產(chǎn)生一個空穴?？昭ㄔ趦r帶中的能量高于在導(dǎo)帶中的能量，在價帶中也可以自由運(yùn)動，所以當(dāng)入射光子在半導(dǎo)體內(nèi)激發(fā)產(chǎn)生光生電子空穴對的時候，就會改變半導(dǎo)體的導(dǎo)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(dǎo)體器件，核心部分是一個PN結(jié)。與普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，其PN結(jié)的面積盡量做的大一些，電極面積盡量小一些，并且PN結(jié)的結(jié)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(dāng)有光照時，攜帶能量的光子在進(jìn)入PN結(jié)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(chǎn)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(jié)，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(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)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(shù)

（1）響應(yīng)率

響應(yīng)特性也可以表達(dá)為量子效率，即光照產(chǎn)生的載流子數(shù)量與突發(fā)光照光子數(shù)的比例。

（2）暗電流

在光電導(dǎo)模式下，當(dāng)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(dǎo)體結(jié)的飽和電流。

（3）等效噪聲功率

等效噪聲功率（NEP）是指能夠產(chǎn)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(guān)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(shù)。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(yīng)用

PN結(jié)型光電二極管與其他類型的光探測器一樣，能夠根據(jù)接受光的強(qiáng)度來輸出相應(yīng)的模擬信號或者在數(shù)字電路的不同狀態(tài)之間切換比如控制開關(guān)和數(shù)字信號處理。

光電二極管在消費(fèi)電子產(chǎn)品方面，例如CD播放器、煙霧探測器以及控制電視機(jī)、空調(diào)的紅外線遙控設(shè)備中也有應(yīng)用。對于許多產(chǎn)品來說，可以使用光電二極管或者其他光導(dǎo)材料，它們都可以被應(yīng)用于測量光，通常被用于路燈亮度自動調(diào)節(jié)和手機(jī)的感光設(shè)備等。

在科學(xué)研究和工業(yè)中，光電二極管常常被用來精確測量光強(qiáng)，因?yàn)樗绕渌鈱?dǎo)材料具有更良好的線性。

在醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備中，光電二極管也有著廣泛的應(yīng)用，比如脈搏探測器以及X射線計(jì)算機(jī)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(jié)中，當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加時，空間電荷區(qū)中的電場也會隨之增強(qiáng)，這樣一來通過空間電荷區(qū)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(yùn)動的電子和空穴將不斷的與晶體原子發(fā)生碰撞，當(dāng)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(fā)形成自由的電子空穴對。新產(chǎn)生的電子和空穴也會朝著相反的方向運(yùn)動繼而重新獲得能量，又可以通過碰撞再產(chǎn)生電子空穴對。這就是載流子的倍增效應(yīng)。當(dāng)反向電壓增大到某一數(shù)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(jié)就發(fā)生雪崩擊穿，利用該特點(diǎn)可制作高反壓二極管。

雪崩擊穿的示意圖如圖3：

2.2 應(yīng)用

PN結(jié)加合適的高反向偏壓，使耗盡層中光生載流子受到強(qiáng)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(chǎn)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(yōu)化結(jié)構(gòu)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(shù)。為了避免InGaAs同質(zhì)結(jié)隧道擊穿先于雪崩擊穿，把雪崩區(qū)與吸收區(qū)分開，即PN結(jié)要放在InP窗口層內(nèi)[5]。由于InP材料中空穴離化系數(shù)大于電子離化系數(shù)，雪崩區(qū)選用n型 InP，n-InP與n-InGaAs異質(zhì)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(qū)，分別形成吸收、分級和倍增結(jié)構(gòu)。

3 總結(jié)與展望

光電探測器件的應(yīng)用選擇，實(shí)際上是應(yīng)用時的一些事項(xiàng)或要點(diǎn)。在很多要求不太嚴(yán)格的應(yīng)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(tài)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(fā)展并不多，但是在實(shí)際應(yīng)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(lǐng)域的發(fā)展，光電探測器還會在更多更廣泛的領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡濤.光電探測器前置放大電路設(shè)計(jì)與研究[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2010，25（1）：52-55.

[2] 雷肇棣.光電探測器原理及應(yīng)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(shè)計(jì)[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，33（2）：88-92.

[4] 馬鑫.光電二極管電參數(shù)模型及I_V轉(zhuǎn)換穩(wěn)定分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，41（7）：89-92.

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