上海大学2014 ～2015学年春季学期本科生课程考试
小论文
课程名称：电子科学与技术新探索（专题研讨课）
课程编号： 10426056 论文题目: 光电探测器原理
本科生生姓名: 陆申阳学号: 12121765 论文评语:
成绩: 任课教师: 徐闰
评阅日期:
光电探测器原理原理
姓名：陆申阳
学号：12121765 摘要：光电探测器的原理主要是利用光电效应和光热效应。
对于不同类型的光电探测器，他们的工作原理也不尽相同。
本文以雪崩光电二极管、光电二极管、光热探测器为例具体介绍了它们们的工作原理。
Abstract:The primary principle of photodetector are photoelectric effect and photothermal effect.But,there are some distinctions of different photodetectors.The principles of photodiode,avalanche photodiode and optothermal detector are as follows.
关键词：雪崩光电二极管，光电二极管，热敏电阻，光电效应
Key words:avalanche photodiode,photodiode,photoelectric effect
简介：近年来，光电子系统已经运用到各个行业、各个领域。
对于光电子系统，其最最重要的一部分光电探测器一直作为光电子系统的眼睛而存在。
对于光电探测器，按照其辐射作用方式的不同，整体上可以分为光子探测器和光热探测器。
按照具体的工作机理，光子探测器又可以分为光电导探测器、光敏电阻、雪崩光电二极管、光电二极管、光电发射探测器、光电管等；光热探测器可以分为热敏电阻、热电偶等。
以下分别以光电二极管、雪崩光电二极管、热敏电阻为例具体介绍其工作原理。
一、光电二极管（PD）
（一）、原理
光电效应可以分为内光电效应和外光电效应，内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。
光电二极管的基本原理就是利用了光生伏特效应。
光辐射照射半导体结上时，光子降价电子激发到导带，形成光生电子——空穴对，光生电子——空穴对在自建电场的作用下被分别扫向两端，形成光生电动势。
即光生伏特效应。
光电二极管的基本结构是一PN结，在P区和N去形成结时，N区的电子向P 区扩散，在N区留下正离子电荷。
同样地，P去的空穴向N区扩散，在P区留下负离子电荷。
于是N带有正电荷，P区带有负电荷，形成由N指向P的内建电场。
当有光照时，如果光子的能量大于或等于半导体的禁带宽度，那么光子就能将价带上的电子激发到导带上去，从而在导带上出现一个电子，在价带上出现一个空穴，即光生电子——空穴对。
电子在内建电场的作用下漂移到N区，形成由N到P的电流；空穴在内建电场的作用下漂移到P区，形成由N到P的电流。
由于，在N区形成空穴积累，在P区形成空穴积累，从而形成光生电动势。
图一光电二极管工作原理
（二）、应用改进措施
光生电子和空穴在自建电场内漂移运动很快，但是，如果光生电子空穴
对在耗尽层外部产生，由于耗尽层外部不存在自建电场，电子和空穴只能靠
速度很慢的扩散来运动，这就会影响探测器的响应速度。
因此在实际的应用中，要将光电二极管反向偏置，PN结两侧势垒加大，以使耗尽层宽度进一步
加宽，从而使更多的光生载流子在耗尽层内产生。
同时也减小了二极管的结
电容，提高了灵敏度和响应速度。
光电二极管的响应时间取决于光生载流子扩散到耗尽层的时间和结电
容，限制了光电二极管在高速通讯系统中的应用。
为提高响应速度，通常在
P区和N区之间形成一个本征区，构成PIN PD。
I区的存在，使耗尽层加宽，增大了光电转换的有效工作区域，提高了
器件灵敏度。
I层的存在，使击穿电压不再受基体材料的限制，用低电阻基
体材料就可取得高的反向击穿电压，而器件的串联电阻可大大减小。
也使结电容减小，一般在10pF量级。
提高了器件的响应速度。
当运用到光电二极管中时，需要加反偏电压。
没有光照时，光电二极管中仅有很小的反向饱和电流。
有光照时，根据以上分析可知，会形成一个由N到P的光生电流。
因此我们可以根据光生电流的特性来判断光信号的特性。
二、雪崩光电二极管(APD)
（一）、原理
雪崩光电二极管的工作原理和光电二极管的工作原理相似，都是利用了光生伏特效应。
雪崩光电二极管同样是在反向偏置电压下工作，只是它的反偏电压很大，无光照时与光电二极管特性一样。
有光照时会在强电场作用下出现雪崩倍增效应。
图二雪崩倍增效应
当有光照且光子能量大于禁带宽度时，形成光生电子——空穴对，光生——电子空穴对在强电场的作用下，具有巨大的动能。
因此它们在漂移的过程中会碰撞原子，产生更多的新的电子——空穴对，而新产生的电子空穴对同样在强电场的作用下具有巨大的动能，会碰撞原子产生更多的电子和空穴，循环往复，可以看出产生的电子和空穴的数量向“雪崩”一样增多。
大量的电子和空穴在电场的作用下形成很大的电流，在N区积累电子，在P区积累空穴，形成光生电动势。
（二）应用改进措施
在PD中，偏置电压要求在几十伏以下，因此载流子的漂移速度也会影响到PD的响应速度。
而在APD中，反向偏置电压在几百伏左右，使得载流子在耗尽层的漂移时间很短。
由于雪崩效应，电子和空穴的数量急剧增加，从而形成的电流也相应地增加，因此雪崩二极管不仅能够根据电流特性判断光信号，还具有增益效应。
响应时间短，频带可达100GHz。
是目前响应最快的一种光电二极管。
适用于光纤高速通信、激光测距及其它微弱光的探测等。
但是，雪崩光电二极管的噪声问题要比一般光电探测器的噪声问题更严重。
因为雪崩光电二极管有内部增益，会引入附加噪声。
这种噪声与雪崩管内碰撞电离有关。
理论证明，当只有一种载流子碰撞电离时，噪声的影响较小，因此，可以采用电子离化率和空穴离化率相差较大的材料，例如：硅。
还可以在工艺结构上采取一定措施，尽量使只有一种载流子产生碰撞电离。
三、热敏电阻
热敏探测器的工作原理是利用了光热电效应。
以热敏电阻为例，它的光电转换过程可以分为三个部分，首先是半导体材料吸收光辐射，其次是光辐射能量转化为热量，以至于半导体的温度升高，温度升高使半导体材料的禁带宽度变窄，从而使一部分能量较高的电子跃迁到导带上去，形成电子——空穴对，极大地贡献了载流子数目。
最后，产生的电子和空穴将会改变半导体材料的电学性能，电阻减小，进而实现探测光信号的功能。
热敏电阻具有以下特点，使它得以普遍运用。
灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出6～10℃的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于－55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃，低温器件适用于
－273℃～55℃；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1～100 kΩ间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。
总结：光电探测器是光电子系统的核心，根据需要实现的功能，以及光电探测器的原理，特性参数，使用环境，注意事项等，选择合适的光电探测器至关重要。
对于光电二极管，它具有体积小，频率特性好；灵敏度高，工作频率宽，响应速度慢快；定向性探测，光谱响应在可见光和红外光;PIN PD输出电流小等特点。
但是PIN PD进一步提高了它的响应速度，APD使光电流在内部放大，使器件具有内部增益，又弥补了PIN PD的输出电流小的缺点。
他们主要运用在光纤通信、激光测距、微弱信号探测等领域。
对于热敏电阻，它具有价格便宜、体积小、结构简单、可测点温度；温度系数大、灵敏度高；使用方便、寿命长；互换性差、非线性严重等特点。
适用于测量控制等系统中。
目前，光电探测器的发展主要集中在红外。
由于红外探测技术的不断完善，从探测器芯片上提升技术已经相当困难。
为进一步提高性能，人们现在把注意力转移到红外探测器的信号读出集成电路上。
当然，一些新型的探测器也在不断研究中。
参考文献：
《光电子技术基础》王林军上海大学自编 2009.4
《半导体光电子技术》余金中化学工业出版社 2003.4。