半导体光电探测器的原理及其应用(精)

半导体光电探测器

摘要：本文介绍了光电与系统的组成、一些半导体光电探测器的工作原理及其特性，最后阐述了光电导探测器与光伏探测器的区别。

关键词：半导体光电探测器，光电系统，光电导探测器，光伏探测器

引言

光电探测器是一种受光器件,具有光电变换功能。光敏器件的种类繁多,有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光晶闸管、集成光敏器件等;有雪崩型的及非雪崩型的;有PN结型、PIN结型及异质结型的等。由于光电探测器的响应速度快,体积小,暗电流小,使之在光纤通讯系统、光纤测试系统、光纤传感器、光隔离器、彩电光纤传输、电视图象传输、快速光源的光探测器、微弱光信号的探测、激光测距仪的接收器件、高压电路中的光电测量及光电互感器、计算机数据传输、光电自动控制及光测量等方面得到了广泛应用。

半导体光电探测器是用半导体材料制作的能接收和探测光辐射的器件。光照射到器件的光敏区时，它就能将光信号转变成电信号，是一种光电转换功能的测光元件。它在国防和工农业生产中有着重要和广泛的应用。

半导体光电探测器可分为光电导型和光伏型两种。光电导型是指各种半导体光电导管，即光敏电阻；光伏型包括光电池、P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等。本文首先介绍了光电系统的组成，然后分别介绍其工作原理及其特性，最后将这两类探测器进行比较。

一、光电子系统的组成

现代光电子系统非常复杂，但它的基本组成可用图l来说明:待传送信号经过编码器编码后加到调制器上去调制光源发出的光，被调制后的光由发射光学系统发送出去.发射光学系统又称为发射天线，因为光波是一种电磁波，发射光学系统所起的作用和无线电发射天线所起的作用完全相同.发送出去的光信号经过传输介质，如大气等，到达接收端.由接收光学系统或接收天线将光聚焦到光电探测器上，光电过长距离传输后会衰减，使接收到的信号一般很弱，因此需要用前置放大器将其放大，然后进行解码，还原成发送端原始的待传送信号，最后由终端显示器显示出来.

图1-1光电子系统图

二、半导体探测器的原理

1、光电导探测器

光电导探测器主要是通过电阴值的变化来检测，以下我将以光敏电阻为例介绍其工作原理。光敏电阻又称光导管, 它没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也

可以加交流电压。无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小。

当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电

阻的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。它的工作原理图如2-1图

当没有光照时，Rd=10断路

当有光照时，Rd= 导通

2、光伏探测器

光伏探测器基于光照产生电势差，用测电势差的原理。它分为光电池与光电二极管两种类型，光电池主要是把光能转换为电能的器件，目前有硒光电池、硅光电池、砷化镓及锗光电池等，但目前运用最广的是硅光电池。光电二级管分为P-N结光电二极管、PIN光电二级管、雪崩光电二极管、光电三级管等。以下我将分别介绍其工作原理及其特性。

1）P-N结光电二级管

2）PIN光电二级管

PIN光电二极管又称快速光电二极管，与一般的光电二极管相比，它具有不的时间常量，并使光谱响应范转向长波方向移动，其峰值波长可移至1.04~1.06um而与Y AG激光器的发射波长相对应。它具有灵敏度高的优点，所以通常用于弱光检测（线性）。

它的结构图如2-3所示，它是由P型半导体和N型半导体之间夹了一层本征半导体构成的。因为本征半导体近似于介质，这就相当于增大了P-N结结电容两个电极之间的距离，使结电容变得很小。其次，P型半导体和N型半导体中耗尽层的宽度是随反向电压增加而加宽的，随着反偏压的增大，结电容也要变得很小。由于I层的存在，而P区一般做得很薄，入射光子只能在I层内被吸收，而反向偏压主要集中在I区，形成高电场区，I区的光生载流子在强电场作用下加速运动，所以载流子渡越时间常量（）减小，从而改善了光电二极管的频率响应。同时I层的引入加大了耗尽区，展宽了光电转换的有效工作区域，从而使灵敏度得以提高。

3）雪崩光电二级管

雪崩光电二级管（APD）是得用光生载流子在高电场区内的雪崩效应而获得光电流增益，具有灵敏度高、响应快等优点，通常用于激光测距、激光雷达、弱光检测（非线性）。

APD雪崩倍增的过程是：当光电二极管的p-n结加相当大的反向偏压时，在耗尽层内将产生一个很高的电场，它足以使在强电场区漂移的光生载流子获得充分的动能，通过与晶格原子碰撞将产生新的电子-空穴对。新的电子-空穴对在强电场作用下，分别向相反的方向运动，在运动过程中又可能与原子碰撞再一次产生新的电子-空穴对。如此反复，形成雪崩式的载流子倍增加。这个过程就是APD的工作基础。

APD一般在略低于反向南穿电压值的反偏压下工作。在无光照时，p-n结不会发生雪崩倍增效应。但结区一旦有光照射，激发出的光生载流子就被临界强电场加速而导致雪崩倍增。若反向偏压大于反向击穿电压时，光电流的增益可达（十的六次方）即发生“自持雪崩倍增”。由于这时出现的散粒噪声可增大到放大器的噪声水平，以致使器件无法使用。

4）光电三级管

光电三级管与光电二极管比较，光电三级管输出电流较大，一般在毫安级，但光照特性较差，多用于要求输出电流较大的场合。光电三极管有pnp和npn型两种结构，常用材料有硅和锗。例如用硅材料制作的npn型结有3DU型，pnp型有3CU型。采用硅npn型光电三

极管，其暗电流比锗光电三极管小，且受温度变化影响小，所以得到位广泛应用。下面以3DU型光电三极管为例说明它的结构、工作原理与主要特性。

3DU型光电三极管是以p型硅为基极的三极管，如图2-4（a）所示。由图可知，3DU 管的结构和普通晶体管类似，只是在材料的掺杂情况、结面积的大小和基极引线的设置上和普通晶体管不同。因为光电三极管要响应光辐射，受光面即集电结（bc结）面积比一般晶体管大。另外，它是利用光控制集电极电流的，所以在基极上既可设置引线进行电控制，也可以不设，完全同光一控制。它的工作原理是工作时各电极所加的电压与普通晶体管相同，即要保证集电结反偏置，发射正偏听偏置。由于集电结是反偏压，在结区有很强的内建电场，对3DU管来讲，内建电场方向是由c到b的。和光电二极管工作原理相同，如果有光照到集电结上，激发电子-空穴对，接着这些载流子被内建电场分离，电子流向集电极，空穴流向基极，相当于外界向基极注入一个控制电流Ib=Ip。因为发射击队结是正偏置的，空穴则留在基区，使基极电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，总的集电极电流为Ic=Ip+βIp=(1+β)Ip，式中β为电流增益系数。由此可见，光电三极管的集电结是光电变换部分。同时集电极、基极、发射极构成一个有放大作用的晶体管。所以在原理上可以把它看万里一个由光电二极管与普通晶体管结合而成的组合件，如图2-4(b)所示。

光电三级管另一个特点是它的亮暗电流比要比光电二极管、光电池、光电导探测器大，所以光电三极管是用来作光开关的理想元件。

3．光电导探测器与电伏探测器的区别

1）光电导探测器是均值的，而光伏探测器是结型的。

2）光