光电探测器工作原理

　　光电探测器是由辐射引起被照射材料电导率发生改变，其光电探测器种类繁多，从原则上说只要在受到光照之后其物理性质变化的材料都可以用来制作光电探测器。光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。

　　1、光电子发射效应

　　根据光的量子理论，频率为v的光照射到材料表面时，材料中的电子将吸收hv的光子能量。若电子所增加的能量除了克服与晶格或其它电子碰撞损失的能量外，尚有一定的能量足以克服材料表面的势垒w，那么该电子将逸出材料表面进入空间。

　　逸出表面的光电子Zda动能可有爱因斯坦方程描述：E_k=hv-w式中：Ek=1/2mv²是光电子动能，m是光电子质量，v是光电子离开材料表面的速度，w是材料的逸出功。

　　光电子的动能与光照强度无关，仅随入射光的频率增加而增加，临界情况下，E_k=0即光电子刚能到达材料表面。此时的入射光频率称为极限频率v₀=v=w/h。当光频v0时，无论光强多大都不能产生光电子。但是当材料能产生光电流，则光电流的大小随光强的增加而增加。

　　利用光子发射效应的光电探测器有：真空光电管、充气光电管、光电倍增管。其中，应用Z广的是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电流增益，能检测极微弱的光辐射信号。

　　2、光电导效应

　　入射光与材料相互作用，使束缚态的电子变成自由态，产生自由电子或空穴，这时在外电场作用下，流过材料的电流会增加，相当于电导增加。光电导效应可分为两类：本征光电导和杂质光电导。

　　本征光电导：电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带，同时价带中产生空穴，在外电场的作用下，电子——空穴对参与导电，使材料的光电导增加。要产生电子空穴对，光子的能量至少要和禁带一样宽。

　　杂质光电导：光子使施主能级中的电子或者受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使材料的光电导增加。此时，长波限由杂质的电离能Ei决定，杂质光电导的长波限比本征光电导的长波限要长的多。

　　利用光电导效应的光电探测器有：光敏电阻。

　　3、光生伏应

　　在无光照时，P-N结内多数载流子的漂移形成内部自建电场E，当有入射光照照射在P-N结及其附近时，结区及其附近产生少数载流子，在内建电场作用下，少数载流子漂移，电子漂移到N区，空穴漂移到P区，结果使N区带负电荷，P区带正电荷，产生了附加电动势，又称为光生电动势。

　　如果加上反向偏压，则入射辐射会使反向电流增加，这时观测到的光电信号是光电流。加偏压工作的光电探测器也常称作光电二极管。

　　利用光伏效应的光电探测器有：光电池，光电二极管，光电三极管，PIN，APD。

　　4、光磁电效应

　　磁场可以将光生正负载流子分离。将半导体样品放入磁场中，能量足够的光子入射到样品上，通过本征吸收产生电子——空穴对，其中光生载流子的浓度呈梯度分布，浓度高的地方向浓度低的地方扩散，在扩散过程中受到洛伦兹力偏向两端，由此形成电势差。

　　因为这种光电探测器工作时必须使用磁场，很不方便，因此应用不多。

　　5、温差电效应

　　当由两种不同材料制成的器件的两个结点出现温差时，在这两点间产生电动势，两点间的闭合回路有电流流过，这就是温差电效应。温差电效应包括塞贝克效应，柏耳贴效应和汤姆逊效应。

　　利用温差电效应的光电探测器有：热电偶。另外，为了增加信号电压，热电偶可串联构成热电堆。虽然热电偶和热电堆的光电信号比许多光子探测器的弱，但是他们坚固耐用，不需要电压偏置，也不需要制冷，因此还有一些应用。

　　6、热释电效应

　　某些晶体，其自发电极化强度随温度的升高而下降的现象称为热释电效应。当温度升高时，自发电极化强度减小，到达一特定温度Tc时，晶体的自发电极化强度为零，称晶体发生相变。Tc称为居里温度。

　　外加电场能改变介质自发极化矢量的方向，使无规则的极化矢量趋于同一方向，形成单畴极化。移去外加电场后，介质仍能保持单畴极化。这样的介质就是热释电介质。

　　当光电探测器强度调制过的光入射到热释电晶体时，引起自发电极化强度的变化，结果在垂直于极化方向的晶体两个外表面之间出现微小变化的信号电压，因此可测定所吸收的光辐射功率。

　　7、测辐射热效应

　　当吸收光辐射温度升高时，金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低。从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率。

　　材料在超导转换温度下的电阻值随温度变化很大，将超导样品的环境温度保持在略低于转换温度时，吸收光辐射产生的微小温升将引起样品电阻值的显著变化。这种变化可以产生相当大的输出电压。但是由于系统很复杂，目前还没有这类实用化的光电探测器。

　　8、CCD与COMS

　　CCD或者CMOS图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，光电探测器可实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。