半導體光電探測器摘要：本文介紹了光電與系統的組成、一些半導體光電探測器的結構和工作原理，最后闡述了光電導探測器與光伏探測器的區別。關鍵詞：半導體光電探測器，光電系統，光電導探測器，光伏探測器SemiconductorphotoelectricdetectorAbstract：Thispaperintroducesthecompositionofphotoelectricandsystem,thestructureandworkingprincipleofsomesemiconductorphotoelectricdetector，finallydescribesthedistinctionofphotoconductivedetectorandphotovoltaicdetector.Keywords：semiconductorphotoelectricdetector，photoelectricsystem，photoconductivedetector，photovoltaicdetector引言光電探測器是一種受光器件，具有光電變換功能。光敏器件的種類繁多，有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光晶閘管、集成光敏器件等；有雪崩型的及非雪崩型的；有結型、結型及異質結型的等。由于光電探測器的響應速度快，體積小，暗電流小，使之在光纖通訊系統、光纖測試系統、光纖傳感器、光隔離器、彩電光纖傳輸、電視圖象傳輸、快速光源的光探測器、微弱光信號的探測、激光測距儀的接收器件、高壓電路中的光電測量及光電互感器、計算機數據傳輸、光電自動控制及光測量等方面得到了廣泛應用。半導體光電探測器是用半導體材料制作的能接收和探測光輻射的器件。光照射到器件的光敏區時，它就能將光信號轉變成電信號，是一種光電轉換功能的測光元件。它在國防和工農業生產中有著重要和廣泛的應用。半導體光電探測器可分為光電導型和光伏型兩種。光電導型是指各種半導體光電導管，即光敏電阻；光伏型包括光電池、結光電二極管、光電二級管、雪崩光電二極管、光電三級管等。本文首先介紹了光電系統的組成，然后分別介紹了各元件的結構和工作原理，最后將這兩類探測器進行比較。一、光電子系統的組成現代光電子系統非常復雜，但它的基本組成可用圖1-1來-說1明：待傳送信號經過編碼器編碼后加到調制器上去調制光源發出的光，被調制后的光由發射光學系統發送出去。發射光學系統又稱為發射天線，因為光波是一種電磁波，發射光學系統所起的作用和無線電發射天線所起的作用完全相同。發送出去的光信號經過傳輸介質，如大氣等，到達接收端，由接收光學系統或接收天線將光聚焦到

光電探測器上，光電過長距離傳輸后會衰減，使接收到的信號一般很弱，因此需要用前置放大器將其放大，然后進行解碼，還原成發送端原始的待傳送信號，最后由終端顯示器顯示出來。圖1-1光-電1子系統圖二、半導體探測器的原理1、光電導探測器光電導探測器主要是通過電陰值的變化來檢測，以下我將以光敏電阻為例介紹其工作原理。光敏電阻的結構如圖2-1所-示1。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體。光導體吸收光子而產生的光電效應，只限于光照的表面薄層，雖然產生的載流子也有少數擴散到內部去，但擴散深度有限，因此光電導體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案，結構見下圖。圖2-1光-敏1電阻的結構圖光敏電阻又稱光導管，它沒有極性，流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，流（暗電流）很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，

圖2-1工-作2原理純粹是一個電阻器件，使用時既可加直

光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電它的阻值（亮電阻）急劇減少，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好,此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。它的工作原理圖如2-1圖-所2示。2、光伏探測器光伏探測器基于光照產生電勢差，用測電勢差的原理。它分為光電池與光電二極管兩種類型，光電池主要是把光能轉換為電能的器件，目前有硒光電池、硅光電池、砷化鎵及鍺光電池等，但目前運用最廣的是硅光電池。光電二級管分為結光電二極管、光電二級管、雪崩光電二極管、光電三級管等。以下我將分別介紹其結構和工作原理。)結光電二級管圖和的結構圖按襯底的導電類型號不同，硅光電二極管也分為兩種類型：型和型。其中型是以為襯底，有兩個引出線：前極和后極；型是以為襯底，有三個引出線：前極、后極和環極。它們的結構圖如圖2-2所-示1。原理示意圖如2-2所-示2依據結光電導效應，器件兩端外回反向偏壓，入射光從側進入，被半導體材料吸收，產生電子-空穴對。結區內和其附近產生的光生載流子受電場的作用漂移過結，形成光電流。不加電壓時相當于光電池。加正向偏壓時，與普通的二極管一樣，只有單向導電性，表現不出它的光電效應。)光電二級管光電二極管又稱快速光電二極管，與一般的光電二極管相比，它具有不的時間常量，并使光譜響應范轉向長波方向移動，其峰值波長可移至而與激光器的發射波長相對應。它具有靈敏度高的優點，所以通常用于弱光檢測（線性）。圖管結構示意圖它的結構圖如所示，它是由型半導體和型半導體之間夾了一層本征半導體構成的。因為本征半導體近似于介質，這就相當于增大了結結電容兩個電極之間的距離，使結電容變得很小。其次，型半導體和型半導體中耗盡層的寬度是隨反向電壓增加而加寬的，隨著反偏壓的增大，結電容也要變得很小。由于層的存在，而區一般做得很薄，入射光子只能在層內被吸收，而反向偏壓主要集中在區，形成高電場區，區的光生載流子在強電場作用下加速運動，所以載流子渡越時間常量減小，從而改善了光電二極管的頻率響應。同時層的引入加大了耗盡區，展寬了光電轉換的有效工作區域，從而使靈敏度得以提高。3）雪崩光電二級管雪崩光電二級管（）是得用光生載流子在高電場區內的雪崩效應而獲得光電流增益，具有靈敏度高、響應快等優點，通常用于激光測距、激光雷達、弱光檢測（非線性）。PP+圖的結構的結構如圖所示，層是高摻雜的型半導體；層是型半導體；層是輕摻雜的型半導體，近于本征；是高摻雜的型半導體。雪崩倍增的過程是：當光電二極管的結加相當大的反向偏壓時，在耗盡層內將產生一個很高的電場，它足以使在強電場區漂移的光生載流子獲得充分的動能，通過與晶格原子碰撞將產生新的電子-空穴對。新的電子-空穴對在強電場作用下，分別向相反的方向運動，在運動過程中又可能與原子碰撞再一次產生新的電子空穴對。如此反復，形成雪崩式的載流子倍增加。這個過程就是的工作基礎。一般在略低于反向南穿電壓值的反偏壓下工作。在無光照時，結不會發生雪崩倍增效應。但結區一旦有光照射，激發出的光生載流子就被臨界強電場加速而導致雪崩倍增。若反向偏壓大于反向擊穿電壓時，光電流的增益可達（十的六次方）即發生“自持雪崩倍增”。由于這時出現的散粒噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以致使器件無法使用。4）光電三級管光電三級管是在光電二極管的基礎上發展起來的，不但能進行光電轉換，還具有放大作。與光電二極管比較，光電三級管輸出電流較大，一般在毫安級，但光照特性較差，多用于要求輸出電流較大的場合。光電三極管有和型兩

種結構，常用材料有硅和鍺。例如用硅材料制作的型結有型，型有影響小，所以得到位廣泛應用。下面以作原理。型光電三極管的結構（）簡化原理型。采用硅型光電三極管，其暗電流比鍺光電三極管小，且受溫度變化型光電三極管為例說明它的結構和工影響小，所以得到位廣泛應用。下面以作原理。型光電三極管的結構（）簡化原理型光電三極管是以型硅為基極的三極管，如圖（）所示。由圖可知，管的結構和普通晶體管類似，只是在材料的摻雜情況、結面積的大小和基極引線的設置上和普通晶體管不同。因為光電三極管要響應光輻射，受光面即集電結（結）面積比一般晶體管大。另外，它是利用光控制集電極電流的，所以在基極上既可設置引線進行電控制，也可以不設，完全由光來控制。它的工作分為兩個過程：光電轉換和光電放大。光電轉換是在基極和集電極之間的結進行。二極管反向偏置，集電極電壓高于基極，光生載流子流過此結形成光電流；光電放大是光生電流由基極進入發射極，從而在集電極回路中得到一個放大的信號電流，放大原理與一般晶體管相同，即要保證集電結反偏置，發射結正偏置。唯一的區別是一般晶體管是同基極向發射極注入載流子來控制發射區的擴散電流，而光電三極管是由光生載流子注入到發射結來探制發射區的擴散電流。在原理上可以把光電三極管看成是一個由光電二極管與普通晶體管結合而成的組合件，如圖所示。因為發射擊隊結是正偏置的，空穴則留在基區，使基極電位升高，發射極便有大量電子經基極流向集電極，總的集電極電流為Bp式中B為電流增益系數。由此可見，光電三極管的集電結是光電變換部分。同時集電極、基極、發射極構成一個有放大作用的晶體管。光電三級管另一個特點是它的亮暗電流比要比光電二極管、光電池、光電導探測器大，所以光電三極管是用來作光開關的理想元件。三、光電導探測器與電伏探測器的區別）1光電導探測器是均值的，而光伏探測器是結型的。）2光電導探測器沒有極性，而光伏探測器是有極性的。）3光電導探測器是多子運動，而光伏探測器是少子運動。光電導探測器頻率低（級）而光伏探測器頻率高（級）。四、展望半導體光電探測器由于體積小，重量輕，響應速度陜，靈敏度高，易于與其它半導體器件集成，是光源的最理想探測器，可廣泛用于光通信、信號處理、傳感系統和測量系統。最近幾年，由于超高速光通信、信號處理、測量和傳感系統的需要,需要超高速高靈敏度的半導體光電探測器。為此半導體光電探測器正朝著超高速、高靈敏度、寬帶寬以及單片集成的方向發展，它可廣泛地應用于光通信、信號處理、傳感系