光电探测器
光电子技术论文报告
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本文主要对光电探测器进行探究，重点介绍光电二极管和光电倍增管，光电二极管中主要介绍PIN 光电二极管和雪崩光电二极管。对相应的光电探测器的结构、原理、特性参数及应用范围等展开探讨，以进一步了解光电探测器。
关键词：PIN 光电二极管雪崩光电二极管光电倍增管
第一章引言 (1)
第二章光电二极管 (2)
2.1P IN 光电二极管 . (2)
2.1.1工作原理 (2)
2.1.2结构 (2)
2.1.3影响因素 (3)
2.2雪崩光电二极管 (3)
2.2.1工作原理 (3)
2.2.2影响响应速度的因素 (4)
2.2.3优点 (4)
第三章光电倍增管 (5)
3.1结构 (5)
3.2使用特性 (5)
第四章结论与讨论 (9)
第五章参考文献 (10)
第一章引言光电探测器是指在光辐射作用下将其非传导电荷变为传导电荷的一类器件。广义的光电探测器包括所有将光辐射能转变为电信号的一类器件。光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。本文着重介绍光子探测器中的光电二极管和光电倍增管。
第二章光电二极管
光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN 结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。光电二极管是在反向电压作用之下工作的，在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
2.1P IN 光电二极管
PIN型光电二极管也称PIN 结二极管、PIN 二极管，在两种半导体之间的PN 结，或者半导体与金属之间的结的邻近区域，在P区与N区之间生成I型层，吸收光辐射而产生光电流的一种光检测器。具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点
2.1.1工作原理
在上述的光电二极管的PN 结中间掺入一层浓度很低的N 型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征( Intrinsic)半导体，故称I 层，因此这种结构成为PIN 光电二极管。I 层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I 层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I 层两侧是掺杂浓度很高的P 型和N 型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。
2.1.2结构
在P 型半导体和N 型半导体之间夹着一层本征半导体。因为本征层相对于P 区和N 区是高阻区这样，PN 结的内电场就基本上全集中于I 层中。如
图所示：
I 层作用：本征层的引入，明显增大了p+区的耗尽层的厚度，这有利于缩短载流子的扩散过程。耗尽层的加宽，也可以明显减少结电容,从而使电路常数减小。同时耗尽加宽还有利于对长波区的吸收。性能良好的PIN 光电二极管，扩散和漂移时间一般在10-10s 数量级，频率响应在千兆赫兹。实际应用中决定光电二极管的频率响应的主要因素是电路的时间常数。合理选择负载电阻是一个很重要的问题。
2.1.3影响因素
1、光电二极管和它的负载电阻 RC 的时间常数。
2、载流子在度越区的耗尽时间。
3、耗尽区外产生的载流子由于扩散而产生的时间延迟。
2.2雪崩光电二极管
雪崩光电二极管是具有内部光电流增益的半导体光电子器件。它应用光生载流子在二极管耗尽层内的碰撞电离效应而获得光电流的雪崩倍增。这种器件具有小型、灵敏、快速等优点，适用于以微弱光信号的探测和接收，在光纤通信、激光测距和其他光电转换数据处理等系统中应用较广。
2.2.1工作原理
当一个半导体二极管加上足够高的反向偏压时，在耗尽层内运动的载流子就可能因碰撞电离效应而获得雪崩倍增。人们最初在研究半导体二极管的反向击穿机构时发现了这种现象。当载流子的雪崩增益非常高时，二极管进入雪崩击穿状态；在此以前，只要耗尽层中的电场足以引起碰撞电离，
则通过耗尽层的载流子就会具有某个平均的雪崩倍增值。
2.2.2影响响应速度的因素
载流子在耗尽层中获得的雪崩增益越大，雪崩倍增过程所需的时间越长。因而，雪崩倍增过程要受到“增益-带宽积”的限制。在高雪崩增益情况下,这种限制可能成为影响雪崩光电二极管响应速度的主要因素之一。但在适中的增益下，与其他影响光电二极管响应速度的因素相比，这种限制往往不起主要作用，因而雪崩光电二极管仍然能获得很高的响应速度。现代雪崩光电二极管增益-带宽积已达几百吉赫。
与一般的半导体光电二极管一样，雪崩光电二极管的光谱灵敏范围主要取决于半导体材料的禁带宽度。制备雪崩光电二极管的材料有硅、锗、砷化镓和磷化铟等Ⅲ -Ⅴ族化合物及其三元、四元固熔体。根据形成耗尽层方法的不同,雪崩光电二极管有PN 结型（同质的或异质结构的PN 结）、金属半导体肖特基势垒型和金属-氧化物-半导体结构等。
2.2.3优点
与真空光电倍增管相比，雪崩光电二极管具有小型、不需要高压电源等优点，因而更适于实际应用；与一般的半导体光电二极管相比，雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点，特别当系统带宽比较大时，能使系统的探测性能获得大的改善。
第三章光电倍增管
将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长
200~1200 纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影
的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。
3.1结构
光电倍增管是一种真空器件。它由光电发射阴极（光阴极）和聚焦电极、电子倍增极及电子收集极（阳极）等组成。典型的光电倍增管按入射光接收方式可分为端窗式和侧窗式两种类型。图1 所示为端窗型光电倍增管的剖面结构图：
当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到的倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。
因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。
3.2使用特性
1）光谱响应
光电倍增管由阴极收入射光子的能量并将其转换为光子，其转换效率（阴极灵敏度）随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。
图4给出了双碱光电倍增管（其光阴极材料为Sb-Rb-Cs和Sb-K-Cs）的典
型光谱响应曲线
2）光照灵敏度
由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密的测试系统和很长的时间，因此，要为用户提供每一支光电倍增管的光谱响应特性曲线是不现实的，所以，一般是为用户提供阴极和阳极的光照灵敏度。
阴极光照灵敏度，是指使用钨灯产生的2856K 色温光测试的每单位通量入射光产生的阴极光电子电流。阳极光照灵敏度是每单位阴极上的入射光能量产生的阳极输出电流（即经过二次发射极倍增的输出电流）。
（3）电流放大（增益）
光阴极发射出来的光电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子发射，以便产生多于光电子数目的电子流，这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极，以产生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集，这样就达到了电流放
大的目的。这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大成较大的阳极输出电流。
一般的光电倍增管有9～12 个倍增极。
（4）阳极暗电流
光电倍增管在完全黑暗的环境下仍有微小的电流输出。这个微小的电流叫做阳极暗电流。它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素之一。
（5）磁场影响
大多数光电倍增管会受到磁场的影响，磁场会使光电倍增管中的发射电子脱离预定轨道而造成增益损失。这种损失与光电倍增管的型号及其在磁场中的方向有关。
一般而言，从阴极到第一倍增极的距离越长，光电倍增管就越容易受到磁场的影响。因此，端窗型尤其是大口径的端窗型光电倍增管在使用中要特别注意这一点。
6）温度特点
降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射，从而降低暗电流。另外，光电倍增管的灵敏度也会受到温度的影响。在紫外和可见光区，光电倍增管的温度系数为负值，到了长度截止波长附近则呈正值。由于在长波截止波长附近的温度系数很大，所以在一些应用中应当严格控制光电倍增管的环境温度。（7）滞后特性
当工作电压或入射光发生变化之后，光电倍增管会有一个几秒钟以几十
秒钟的不稳定输出过程，在达到稳定状态之前，输出信号会出现一些微过脉冲或欠脉冲现象。这种滞后特性在分光光度测试中应予以重视。
滞后特性是由于二次电子偏离预定轨道和电极支撑架、玻壳等的静电荷引起的。当工作电压或入射光改变时，就会出现明显的滞后。对此，北京滨松公司侧窗型光电倍增管采用了“抗滞后设计”方案，实际上已经很好地消除了这种滞后现象。
第四章结论与讨论
通过探究，对于光电探测器有了进一步的认识。在光电子系统中，最关键的部件是它的“眼睛”，即光电探测器。光电探测器种类繁多，不胜枚举。原则上讲，只要受到光照射后物理性质会发生变化的任何材料都可用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的。光电探测器应用十分广泛，在光通信、光纤传感、激光测距、跟踪、自动控制以及激光唱片、商品条码读出器等军用、民用产品中，都大量使用各种不同类型的光电探测器。总之，光电探测器有很大的发展潜力。
第五章参考文献
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