1、上海大學(xué)20142015學(xué)年春季學(xué)期本科生課程考試小論文課程名稱：電子科學(xué)與技術(shù)新探索（專題研討課）課程編號：10426056論文題目：光電探測器原理本科生生姓名:陸中陽學(xué)號：12121765論文評語：成績：評閱日期：任課教師：徐閏光電探測器原理原理姓名：陸中陽學(xué)號：12121765摘要：光電探測器的原理主要是利用光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)。對于不同類型的光電探測器，他們的工作原理也不盡相同。本文以雪崩光電二極管、光電二極管、光熱探測器為例具體介紹了它們們的工作原理。Abstract：Theprimaryprincipleofphotodetectorarephotoelectriceffectand

2、photothermaleffect.But,therearesomedistinctionsofdifferentphotodetectors.Theprinciplesofphotodiode,avalanchephotodiodeandoptothermaldetectorareasfollows.關(guān)鍵詞：雪崩光電二極管，光電二極管，熱敏電阻，光電效應(yīng)Keywords：avalanchephotodiode,photodiode,photoelectriceffect簡介：近年來，光電子系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)用到各個行業(yè)、各個領(lǐng)域。對于光電子系統(tǒng)，其最最重要的一部分光電探測器一直作為光電子系統(tǒng)的眼睛

3、而存在。對于光電探測器，按照其輻射作用方式的不同，整體上可以分為光子探測器和光熱探測器。按照具體的工作機(jī)理，光子探測器又可以分為光電導(dǎo)探測器、光敏電阻、雪崩光電二極管、光電二極管、光電發(fā)射探測器、光電管等；光熱探測器可以分為熱敏電阻、熱電偶等。以下分別以光電二極管、雪崩光電二極管、熱敏電阻為例具體介紹其工作原理。一、光電二極管（PD（一）、原理光電效應(yīng)可以分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)又可以分為光電導(dǎo)效應(yīng)和先生伏特效應(yīng)。光電二極管的基本原理就是利用了先生伏特效應(yīng)。光輻射照射半導(dǎo)體結(jié)上時，光子降價電子激發(fā)到導(dǎo)帶，形成光生電子一一空穴對，光生電子一一空穴對在自建電場的作用下被分別掃向兩端，

4、形成光生電動勢。即光生伏特效應(yīng)。光電二極管的基本結(jié)構(gòu)是一PN結(jié)，在P區(qū)和N去形成結(jié)時，N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散，在N區(qū)留下正離子電荷。同樣地，P去的空穴向N區(qū)擴(kuò)散，在P區(qū)留下負(fù)離子電荷。于是N帶有正電荷，P區(qū)帶有負(fù)電荷，形成由N指向P的內(nèi)建電場。當(dāng)有光照時，如果光子的能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度，那么光子就能將價帶上的電子激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而在導(dǎo)帶上出現(xiàn)一個電子，在價帶上出現(xiàn)一個空穴，即光生電子一一空穴對。電子在內(nèi)建電場的作用下漂移到N區(qū)，形成由N至ijP的電流；空穴在內(nèi)建電場的作用下漂移到P區(qū)，形成由N到P的電流。由于，在N區(qū)形成空穴積累，在P區(qū)形成空穴積累，從而形成光生電動勢。一匕耗盡層電子

5、擴(kuò)散區(qū)漂移區(qū)空穴擴(kuò)散區(qū)圖一光電二極管工作原理空穴能*（二）、應(yīng)用改進(jìn)措施光生電子和空穴在自建電場內(nèi)漂移運(yùn)動很快，但是，如果光生電子空穴對在耗盡層外部產(chǎn)生，由于耗盡層外部不存在自建電場，電子和空穴只能靠速度很慢的擴(kuò)散來運(yùn)動，這就會影響探測器的響應(yīng)速度。因此在實際的應(yīng)用中，要將光電二極管反向偏置，PN結(jié)兩側(cè)勢壘加大，以使耗盡層寬度進(jìn)一步加寬，從而使更多的先生載流子在耗盡層內(nèi)產(chǎn)生。同時也減小了二極管的結(jié)電容，提高了靈敏度和響應(yīng)速度。光電二極管的響應(yīng)時間取決于先生載流子擴(kuò)散到耗盡層的時間和結(jié)電容，限制了光電二極管在高速通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用。為提高響應(yīng)速度，通常在P區(qū)和N區(qū)之間形成一個本征區(qū)，構(gòu)成PINPD

6、。I區(qū)的存在，使耗盡層加寬，增大了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，提高了器件靈敏度。I層的存在，使擊穿電壓不再受基體材料的限制，用低電阻基體材料就可取得高的反向擊穿電壓，而器件的串聯(lián)電阻可大大減小。也使結(jié)電容減小，一般在10pF量級。提高了器件的響應(yīng)速度。當(dāng)運(yùn)用到光電二極管中時，需要加反偏電壓。沒有光照時，光電二極管中僅有很小的反向飽和電流。有光照時，根據(jù)以上分析可知，會形成一個由N到P的光生電流。因此我們可以根據(jù)光生電流的特性來判斷光信號的特性。二、雪崩光電二極管(APD)(一)、原理雪崩光電二極管的工作原理和光電二極管的工作原理相似，都是利用了先生伏特效應(yīng)。雪崩光電二極管同樣是在反向偏置電壓下工作

7、，只是它的反偏電壓很大，無光照時與光電二極管特性一樣。有光照時會在強(qiáng)電場作用下出現(xiàn)雪崩倍增效應(yīng)。圖二雪崩倍增效應(yīng)當(dāng)有光照且光子能量大于禁帶寬度時，形成光生電子一一空穴對，光生一一電子空穴對在強(qiáng)電場的作用下，具有巨大的動能。因此它們在漂移的過程中會碰撞原子，產(chǎn)生更多的新的電子一一空穴對，而新產(chǎn)生的電子空穴對同樣在強(qiáng)電場的作用下具有巨大的動能，會碰撞原子產(chǎn)生更多的電子和空穴，循環(huán)往復(fù)，可以看出產(chǎn)生的電子和空穴的數(shù)量向“雪崩”一樣增多。大量的電子和空穴在電場的作用下形成很大的電流，在N區(qū)積累電子，在P區(qū)積累空穴，形成光生電動勢。（二）應(yīng)用改進(jìn)措施在PD中，偏置電壓要求在幾十伏以下，因此載流子的漂移速

8、度也會影響到PD的響應(yīng)速度。而在APD中，反向偏置電壓在幾百伏左右，使得載流子在耗盡層的漂移時間很短。由于雪崩效應(yīng)，電子和空穴的數(shù)量急劇增加，從而形成的電流也相應(yīng)地增加，因此雪崩二極管不僅能夠根據(jù)電流特性判斷光信號，還具有增益效應(yīng)。響應(yīng)時間短，頻帶可達(dá)100GHz是目前響應(yīng)最快的一種光電二極管。適用于光纖高速通信、激光測距及其它微弱光的探測等。但是，雪崩光電二極管的噪聲問題要比一般光電探測器的噪聲問題更嚴(yán)重。因為雪崩光電二極管有內(nèi)部增益，會引入附加噪聲。這種噪聲與雪崩管內(nèi)碰撞電離有關(guān)。理論證明，當(dāng)只有一種載流子碰撞電離時，噪聲的影響較小，因此，可以采用電子離化率和空穴離化率相差較大的材料，例如

9、：硅。還可以在工藝結(jié)構(gòu)上采取一定措施，盡量使只有一種載流子產(chǎn)生碰撞電離。三、熱敏電阻熱敏探測器的工作原理是利用了光熱電效應(yīng)。以熱敏電阻為例，它的光電轉(zhuǎn)換過程可以分為三個部分，首先是半導(dǎo)體材料吸收光輻射，其次是光輻射能量轉(zhuǎn)化為熱量，以至于半導(dǎo)體的溫度升高，溫度升高使半導(dǎo)體材料的禁帶寬度變窄，從而使一部分能量較高的電子躍遷到導(dǎo)帶上去，形成電子一一空穴對，極大地貢獻(xiàn)了載流子數(shù)目。最后，產(chǎn)生的電子和空穴將會改變半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能，電阻減小，進(jìn)而實現(xiàn)探測光信號的功能。熱敏電阻具有以下特點，使它得以普遍運(yùn)用。靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出610c的溫度變化；工作溫度范圍寬

10、，常溫器件適用于55c315C,高溫器件適用溫度高于315C,低溫器件適用于273C55C；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100kQ問任意選擇；易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)?？偨Y(jié)：光電探測器是光電子系統(tǒng)的核心，根據(jù)需要實現(xiàn)的功能，以及光電探測器的原理，特性參數(shù)，使用環(huán)境，注意事項等，選擇合適的光電探測器至關(guān)重要。對于光電二極管，它具有體積小，頻率特性好；靈敏度高，工作頻率寬，響應(yīng)速度慢快；定向性探測，光譜響應(yīng)在可見光和紅外光；PINPD輸出電流小等特點。但是PINPD進(jìn)一步提高了它的響應(yīng)速度，APDfg光電流在內(nèi)部放大，使器件具有內(nèi)部增益，又彌補(bǔ)了PINPD的輸出電流小的缺點。他們主要運(yùn)用在光纖通信、激光測距、微弱信號探測等領(lǐng)域。對于熱敏電阻，它具有價格便宜、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可測點溫度；溫度系數(shù)大、靈敏度高；使用方便、壽命長；互換性差、非線性嚴(yán)重等特點。適用于測量