探测器综述论文(HIT)

探测器综述目录TOC\o"1-5"\h\z\u碲镉汞光电探测器(Hg1-xCdxTe) 2PbS多晶膜光电导探测器 3锑化铟光电探测器 4硅光电池 6硅光电二极管 6PIN硅光电二极管 7雪崩光电二极管（APD） 8硅光电池、三极管、二极管、PIN、APD性能参数对比总结 10异质结探测器 11象限探测器 12光电位置探测器（PSD） 14量子阱光电探测器 15结语 16参考文献 17碲镉汞光电探测器(Hg1-xCdxTe)工作原理其中，Hg1-xCdxTe是由CdTe和HgTe组成的固熔三元化合物半导体，x表示CdTe所占的克分子数。这种三元化合物的成分可以从纯CdT。到纯HgTe之间变化。选择不同的x值就可以制备出一系列不同禁带宽度、不同响应波段的碲镉汞材料，这种材料具有一些可贵的性质:电子有效质量小，本征载流子浓度低等。性能参数以实际产品为例进行分析：DMCT(x)-De系列碲镉汞探测器———液氮制冷型红外探测器，波长范围：2~22μm型号/参数DMCT12-De01DMCT14-De01DMCT16-De01DMCT22-De01DMCT12-HS光敏面尺寸(mm)1×11×11×11×11×1波长范围(μm)2-122-142-162-222-12峰值响应度(V/W)3x1031x103900150>4x104响应时间(ns)<25D*(@λpeak，1KHz)cmHz1/2W-1，Min3x10103x10102.5x10105x1093x1010前置放大器ZPA-101ZPA-101ZPA-101ZPA-101集成信号输出模式电压电压电压电压电压输出信号极性正（P）正（P）正（P）正（P）正（P）表1DMCT(x)-De系列碲镉汞探测器参数其中：DMCT(x)-De为液氮制冷型，x-12/14/16/22，四种截止波长可选，适合一般测量，须选配前置放大器；DMCT12-HS为液氮制冷高速响应型，集成前置放大器，响应时间小于50ns；为高速响应探测器，集成了50MHz带宽的前置放大器，用于红外时间分辨测量，可直接接示波器使用，光敏面尺寸为1mm，另有0.5mm和0.1mm可选，尺寸越小，响应速度越快，最快可达到3.5ns；HgCdTe探测器的时间常数在10～10秒量级。x＝0.2的HG0.8Cd0.2Te材料，可以制成响应波长为8～14微米大气窗口的红外探测器。它与工作在同样波段的Ge：Hg探测器相比有如下优点：①工作温度高（高于77K），使用方便，而Ge:Hg工作温度为38K。②本征吸收系数大，样品尺寸小。③易于制造多元器件。优点：反向饱和电流小、噪声低、探测率高、响应时间短和响应频带宽使用条件碲镉汞光电探测器在中波、长波和极长波红外波段具有高灵敏度和波长灵活性，并具有多色能力。碲镉汞还能在短波红外波段工作。限制性：由于碲镉汞材料和基底软而脆的特性，使器件的加工比较困难。材料和可利用的大面积基底的质量对长波红外和极长波红外的大型碲镉汞焦平面列阵有影响。虽然中波和长波红外器件的这些问题大部分解决了，但对于极长波红外和多色器件，特别是有多个p-n结暴露到表面时，仍是主要的问题。改善方式：基底的净化、源材料、生长和工艺条件可以提高碲镉汞器件的低温性能。应用领域热成象、CO2激光探测、制导、FTIR光谱学、夜视、激光预警接收、激光外差探测发展趋势由于HgCdTe红外探测器的发明，使低温目标（需要长波探测）的红外探测成为可能。从原理上都可以取代前二类红外探测器，因而这类探测器是西方先进国家竞相发展，到目前仍然重点发展的一类探测器，而且集中在第二代和第三代红外探测器，这类探测器又分为4（6）×N线列焦平面和阵列焦平面，前者主要是技术相对后者更成熟，采用并扫技术可做到同等数量元数阵列焦平面更高性能，且价格要比阵列焦平面低，因而西方国家亦在发展之列，典型的4×288、4（6）×576、6×960等；阵列焦平面典型品种有128×128，256×256（或320×256），512×512（或640×480），1024×1024等。PbS多晶膜光电导探测器工作原理PbS是一种直接跃迁的Ⅳ-Ⅵ族窄带化合物半导体材料，室温下其禁带宽度为0.41eV（对应长波限λ0=2.952μm），具有较大的激子玻尔半径(18nm)，常温常压下晶格常数为5.935nm，属于NaCl型面心立方结构，晶格为Pb和S组成的面心立方子晶格相互套构而成，其配位数为6。以PbS多晶薄膜制作成近红外探测器，这类器件主要利用了PbS的本征光电导效应。性能参数PbS的常用响应波段在1～3微米、3～5微米、8～14微米三个大气透过窗口。3～5微米波段的探测器分三种情况：①在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有1～7×10厘米·瓦·赫；②热电致冷温度下工作(约-60℃)，探测度约为10厘米·瓦·赫;③77K或更低温度下工作，探测度可达10厘米·瓦·赫以上。PbS探测器的时间常数一般为50～500微秒。与典型PIN结光电二极管相比，在红外波段具有更高的探测能力和更好的线性响应。使用条件由于它们的禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3微米波段的探测器可以在室温工作（灵敏度略有下降）。8～14微米波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中，冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。红外探测有时要探测非常微弱的辐射信号，例如10瓦；输出的电信号也非常小，因此要有专门的前置放大器。应用领域NDIR光谱学、光学测温、光谱学、湿气分析。发展趋势近年来国内外很多研究机构和个人从高质量、高性能PbS薄膜这个需求着手，用许多新颖的制备方法制备出了性能优良的PbS薄膜。2000年古巴的E.M.Larramendi等人用CBD法在玻璃基片上沉积了PbS薄膜，同时发现加入Br-1离子到沉积溶液中会影响薄膜的表面形貌，进一步影响PbS薄膜的光电性能，光敏性能在平均颗粒尺寸0.9um时达到最佳。2001年日本的TsukasaTorimoto等人利用电化学原子层外延的方法，在Au(111)基片上制备PbS薄膜，测试表明PbS薄膜为立方岩盐型晶体结构，具有原子量级的平整度，其（200）晶面平行于基片表面。2001年埃及的S.M.Salim等人利用CBD法，在玻璃基片上得到p型电导的硫化铅薄膜，并研究了薄膜的微结构。2002年立陶宛J.Puišo的等人在室温和常压下利用连续离子层吸附反应(SILAR)在Si基片上制备硫化铅薄膜，对薄膜的晶型、晶粒尺寸、微结构、粗糙度与原子组成进行了详细研究。2004年印度的RakeshK.Joshi等人利用CBD在玻璃、SiO2、Si基片上制备PbS纳米薄膜，发现随晶粒尺寸的减小，薄膜的光学带隙增大。2007年，我国空空导弹研究院光电器件研究所司俊杰等人用联氨法制备的PbS薄膜，通过优化沉淀、敏化过程，改善了PbS薄膜成分和形貌的均匀性，由改进后的薄膜所制备的光导PbS探测器，在大尺度（25mm）光敏元尺寸下，光电响应的不均匀度由改进前的±50%减小为±25%。此外，2010年李国伟采用化学浴沉积（CBD）技术在玻璃基片上生长PbS光敏薄膜，并对薄膜在空气中采取不同温度进行敏化，通过比较PbS薄膜敏化前后的微结构和光电导灵敏度找出了优化的敏化温度。同时通过分析敏化前后薄膜的成分，探讨了薄膜敏化后光电性能大幅度提高的机理。在光敏面为3mm×3mm时，薄膜方阻R□约为1MΩ左右，光电导灵敏度S最大可达100%，满足红外探测器对材料性能的要求。探测器对黑体的响应度R可达7.69×102V/W，比探测率D*可达0.23×108cm·Hz1/2·W-1（500K，400，10）。并且在剧烈的环境温度冲击下，探测器也能正常工作。锑化铟光电探测器工作原理用窄带半导体InSb可以制备光导型(PC)红外探测器也可以制备光伏型(PV)红外探测器。光导型探测器是一种最基本的光子型探测器。窄带半导体吸收能量大于禁带宽度的光子，使价带的电子跃迁到导带，在导带中产生非平衡电子，在价带中留下非平衡空穴，于是就改变了样品的电导率。电导率的改变与入射光子通量有关。光伏型探测器是当前非常重要的另一种光子型探测器。如果通过适当的掺杂，使得半导体材料的不同区域分别具有N型P型的导电类型，在两者的交接面处就形成了PN结。激光辐射能量被器件吸收后，产生非平衡电子和空穴，它们或直接在PN结中产生，或在P区、N区产生而扩散到PN结中，并在PN结的空间电场中运动，从而改变空间电场分布，产生光伏效应，对外电路贡献光电流。这就是光伏型探测器。光导型探测器宜于做成单元或线列，由于信号读出问题，不宜做成二维阵列。光伏型探测器电压输出在PN结两端，在芯片的上下两方，因而宜于做成大规模焦平面阵列探测器。性能参数以实际产品为例：型号/参数DInSb5-De01DInSb5-De02DInSb5-De04DInSb5-De07DInSb5-HS光敏面尺寸(mm)Φ1Φ2Φ4Φ71×1（方）波长范围(μm)1-5.51-5.51-5.51-5.51-5.5峰值响应度(A/W)3333-峰值响应度(V/W)2x104响应时间(ns)<25D*(@λpeak，1KHz)cmHz1/2W-11x10111x10111x10111x10111x1011NEP(@λpeak，1KHz)pW/Hz1/20.81.636-暗电流(μA)730110350-前置放大器选配选配选配选配集成信号输出模式电流电流电流电流电压表2D系列锑化铟探测器参数使用条件锑化铟焦平面列阵成熟，具有高灵敏度，但也只能工作在中波红外波段。锑化铟没有波长可调能力和多色能力。光导型探测器宜于做成单元或线列，由于信号读出问题，不宜做成二维阵列。光伏型探测器电压输出在PN结两端，在芯片的上下两方，因而宜于做成大规模焦平面阵列探测器。对PC型锑化铟光电探测器而言，在强光辐照下，不仅要考虑其光敏特性，还要考虑其热敏特性，包括正温度系数热敏特性和负温度系数热敏特性；对PV型锑化铟光电探测器而言，不仅要考虑光生电动势的贡献，还要考虑热生电动势的贡献，尤其是波段外激光辐照下，热生电动势是主要响应机制之一。应用领域热成象、搜寻热目标、辐射计、光谱鉴定、FTIR发展趋势InSb工作波段在中波是目前使用最广泛，研究最成熟，军用中用于寻的头的常取128×128元凝视型阵列，因为有较好的性能/价格比，美、英、德和以色列等国研制的新型空-空导弹都使用了这一规格。要求精密、高速图像或在高价值场合使用时常取256×256，640×480或512×512InSb探测器，美国LockheedMartim公司生产的“狙击手”吊舱，Raytheon公司研制的ATFLIR吊舱，NorthropGrumman公司与以色列拉发尔公司合作研制的LITENING吊舱以及美国前视红外系统公司研制的AN/AAQ-22SAFIRE热像仪等世界最先进的前视，导航和瞄准设备都使用了640×480元或类似规模的InSb阵列。2000×2000InSb与可见光组合成低帧频、双色相机已有报导用于战场和环境监视。进入二十世纪九十年代，人们开始研究具有新型结构的InSb探测器，例如超晶格量子阱结构探测器、非制冷InSb探测器、高速响应的锑化铟Schottky探测器，等等。InSb红外焦平面阵列物理模型和器件制备技术进一步规范。当前，1280×1024元和2048×2048元的大规模InSb红外焦平面阵列已相继问世。目前，人们努力进一步探索光电效应、光热效应等的新现象及其在InSb红外焦平面阵列和新型光电探测器件上的创新应用。进一步的研究将主要集中在InSb的晶格振动、载流子激发、输运和复合、杂质缺陷、超晶格与量子阱以及器件物理等方面的新现象、新效应和规律。硅光电池工作原理晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结而制作成的，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。性能参数光电池是固体光电器件中具有最大光敏面积的器件，它除用做探测器件外，还可作太阳能变换器。其优点：不消耗常规能源、光谱响应范围宽、线性响应好、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染、性能稳定等。使用条件硅光电池作为测量元件使用时，应作为电流源的形式来使用。应用领域近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光增加准直、电影还音等设备的光感受器。发展趋势采用埋层电极、表面钝化、强化陷光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反射膜、凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为Φ10至20cm的圆片，年产能力46MW/a。目前主要课题是继续扩大产业规模，开发带状硅光电池技术，提高材料利用率。国际公认最高效率在AM1.5条件下为24%，空间用高质量的效率在AM0条件约为13.5-18%，地面用大量生产的在AM1条件下多在11-18%之间。以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替单晶硅，可降低成本，但效率较低。优化正背电极的银浆和铝浆丝网印刷，切磨抛工艺，千方百计进一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光电池的转换效率最高达18.6%。硅光电二极管工作原理硅光电二极管的两种典型结构，上图是采用N型单晶硅和扩散工艺，称为p＋n结构。它的型号是2CU型。而下图是采用P型单晶和磷扩散工艺，称n＋p结构。它的型号为2DU型。图1硅光电二极管两种结构性能参数硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，困而在各种工业控制中获得应用。Si光电二极管光谱响应范围：0.4~1.1μm，峰值响应波长约为0.9μm，电流响应率通常在0.4~05μA/μW。频率特性优于光电导探测器，适宜于快速变化的光信号探测。使用条件光电二极管在较小负载电阻下，入射光功率与光电流之间呈现较好的线性关系。光电二极管的频率特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻RL并联的结电容Ci所决定的电路时间常数。应用领域医疗仪器、SpO2、血液分析、高速光通信、激光测距仪。PIN硅光电二极管工作原理由于PN结耗尽层只有几微米，大部分入射光被中性区吸收，因而光电转换效率低，响应速度慢。为改善器件的特性，在PN结中间设置一层本征半导体(称为I)，这种结构便是常用的PIN光电二极管。性能参数以产品为例：FPD510PIN光电探测器系列FPD510FPD510-FFPD510-FV光学输入光纤*自由空间自由空间电源电压8-20V8-20V8-20V电流消耗50mA50mA50mA最大入射功率10mW10mW10mW操作温度10-40℃10-40℃10-40℃光谱范围**850-1650nm850-1650nm400-1000nm探测器直径-0.3mm0.4mm频率范围0-250MHz0-250MHz0-250MHz3dB带宽0-200MHz0-200MHz0-200MHz上升时间2ns2ns2ns增益***4x104V/W4x104V/W4x104V/W暗态噪声-120dBm-120dBm-120dBmNEP(计算值)3pW/√Hz3.2pW/√Hz6pW/√Hz输出连接SMASMASMA输出阻抗50W50W50W器件尺寸60x50x27mm60x50x27mm60x50x27mm输出耦合DCDCDC表3FPD510PIN光电探测器参数快速响应，低暗电流，高响应度，高可靠性。使用条件较低的偏置可获得宽带性，PIN型光电探测器的频率响应主要受到载流子在耗尽区的渡越时间和RC响应时间的限制。在器件表面面积一定的情况下，增大耗尽区宽度可以增大器件的RC频率，但同时增大了载流子的渡越时间。应用领域光纤通信、传感、测距；可见光至近红外领域的光探测；快速光脉冲检测；各种工业控制系统。发展趋势高速叉指式GePIN光电探测器：工作在1.3μm彼长，用于高速和长拖曳光传输的光电探测器是光传输系统广泛研究的主题。至今，许多这个工作都集中在班Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的长波长光电探测器。Ge被认为是代替材料，因为它有适合于1.3μm波长的带隙，间接带隙0.67eV，直接带隙0.81eV。Ge有达到高速性能的潜力，因为它在电信波长有高的电子迁移率和高的光吸收系数。此外，Ge有希望应用于例如微波和毫米波光子系统，这种需要高的光电流和高的线性度的系统。近来Ge在Si衬底上外延层的沉积工艺技术使Ge更有吸引力，因为它容易与Si集成电路技术兼容。已有报道用在si衬底外延生长的Ge制作金属-半导体-金属(MSM)光电探测器。为了得到高的响应度，使用叉指式的平面结构。平面结构的MSM光电探测器已广泛应用，因为它比较容易制作和具有低的电容。然而，MSM探测器与PIN探测器比较，量子效率低，暗电流大。雪崩光电二极管（APD）工作原理雪崩光电二极管是具有内增益的一种光伏器件。它利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流的增益。在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下高速定向运动，具有很高动能的光生电子或空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子－空穴对；二次电子和空穴对在电场的作用下获得足够的动能，又使晶格原子电离产生新的电子－空穴对，此过程像“雪崩”似地继续下去。电离产生的载流子数远大于光激发产生的光生载流子数，这时雪崩光电二极管的输出电流迅速增加。性能参数以产品为例：APD系列高灵敏度雪崩光电探测器APD210APD310光学输入自由空间*自由空间*电源电压12-15V**12-15V**电流消耗200mA200mA最大入射功率10mW10mW操作温度10℃到40℃10℃到40℃光谱范围400-1000nm850-1650nm探测器直径0.5mm0.03mm频率范围1-1600MHz1-1800MHz3dB带宽1-1000MHz1-1000MHz上升时间500ps500ps最大增益2.5x105V/W＠1GHz，800nm2.5x104V/W＠1GHz，1500nm暗态噪声-80dBm-80dBmNEP(计算值)0.4pW/√Hz2pW/√Hz输出连接BNCBNC输出阻抗50W50W器件尺寸50x50x45mm50x50x45mm输出耦合ACAC表4APD系列高灵敏度雪崩光电探测器参数APD体积小、重量轻、工作电压低、增益高、响应速度快、动态范围大、抗外部电磁干扰性好、噪声小。APD具有一个内部的增益机制，可以快速响应，在紫外到近红外区域灵敏度极高。使用条件暗电流与光敏面大小有关，因此减小面积可以降低暗电流，从而提高探测器灵敏度。若外界环境温度增加，则噪声将会大幅度增加。理论证明，当只有一种载流子引起碰撞电离时，雪崩光电二极管的噪声比较低，它的增益带宽积才比较大。所以要设法将雪崩管中的耗尽层分为吸收漂移区和高场倍增区，让入射光尽量在漂移区中被吸收而产生初始光生电子空穴对，然后只让其中一种类型的载流子进入高场强区域产生倍增。在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。应用领域安检设备、激光测距、运动控制、分析仪器、生物医疗、光通信、军事、航空航天。发展趋势SACM-APD具有内部增益大、灵敏度高、低噪声和高增益带宽积等优点，在光通信系统中得到了广泛的应用。对于传统的InP/InGaAsAPD，由于增益层InP材料的k值在0.4—0.5范围内，在满足一定灵敏度要求条件下，增益带宽积(GBP)通常只能达到100GHz左右。相比之下，InAlAs/InGaAsAPD增益层InAlAs材料的k值在0.2—0.3的范围内;Si/GeAPD增益层Si的k值＜0.1，说明Si最有希望作为光通信用APD的增益层候选材料。Si基探测器一直受到重视。研究表明，与传统的InP/InGaAsAPD相比，Si/GeAPD具有GBP高(＞200GHz)﹑击穿电压低(27V)﹑击穿电压温度系数低(＜0.014V/℃)﹑过剩噪声因子低、整个生产工艺与标准CMOS制程完全兼容和易于与TIA等后续电路实现单片集成等一系列优点，是光通信领域近年来研发的热点。早在2001年开始，西方发达国家开始将碲镉汞APD探测器阵列应用到激光雷达上，以下列出近15年来，官方公布过的研究计划。表5西方发达国家碲镉汞APD探测器阵列研究计划及用途硅光电池、三极管、二极管、PIN、APD性能参数对比总结在动态特性（即频率响应与时间响应）方面：以光电倍增管和光电二极管（尤其是PIN管与雪崩管）为最好。在光电特性（即线性）方面：以光电倍增管、光电二极管和光电池为最好。在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管。外加偏置电压最低的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加偏置。在暗电流方面，光电倍增管和光电二极管最小，光电池不加偏置时无暗电流，加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大。长期工作的稳定性方面：以光电二极管、光电池为最好，其次是光电倍增管与光电三极管。异质结探测器工作原理以缓变双异质结GaInAs/InPPINPD为例：GaInAs/InP异质结构由气体源分子束外延(GSMBE)在Si-InP衬底上生长。PIN外延结构由GaInAs腐蚀终止层及随后n-InP，缓变带隙层(GBL)，190nm厚无意掺杂GaInAs有源层，另一GBL，p-InP层，p+-GaInAs接触层。GBL由4周期超晶格组成。器件剖面结构如下图所示。双异质结构减少了扩散电流，缓变带隙超晶格减少了GaInAs/InPPINPD的载流子俘获效应，复合波导设计减少了分布电容，使PD的高性能达到最佳化。图2GaInAs/InPPINPD器件结构性能参数以In0.53Ga0.47As异质结光伏型红外探测器为例：在异质结构的探测器里面，只有隧穿噪声和产生-复合噪声对探测度起主要作用。异质结的结构也会影响探测度的大小。例如N-p结构的异质结的探测器的性能比P-n结构的探测器性能好。即N-p异质结构中的探测度明显高于P-n异质结构中的探测度，这是因为N-p异质结构中的量子效率高，这源于p型In0.53Ga0.47As材料中的光吸收大于n型In0.53Ga0.47As材料的光吸收。因为p型In0.53Ga0.47As材料中的少子-电子扩散长度大，寿命大，即复合几率比较小，所以光吸收大，量子效率大。N-p异质结构中p型材料的表面复合速度是影响红外探测器性能的一个重要的材料参数，如果p型材料的表面复合速度过高，会降低R0A，并且量子效率和探测度也会明显下降。对p型材料的表面进行钝化处理，以有效的减小表面复合。N-p异质结构的In0.53Ga0.47A光伏型红外探测器的性能被产生-复合、隧穿噪声所限制，并且只有在产生-复合限制的范围内可以得到高的探测度，因此与产生-复合噪声相关的材料参数，如载流子浓度、表面复合速度都是决定器件性能的重要参数。因为光吸收主要限制在窄带材料中，窄带材料参数对得到优良的器件起决定性的作用。另外，因为p型材料In0.53Ga0.47A无限厚时，探测度达到饱和。使用条件以Ge/Si异质结光电探测器为例：降低Ge外延层、特别是Ge缓冲层的位错密度可以有效的降低器件的暗电流;在高偏压下，受电场影响Ge材料的能带发生弯曲使得位错的电离能降低，暗电流增大，并随着Ge吸收层厚度的减小，影响显著增大。采用Ge/Si异质结制备的光电探测器对光信号的响应度增大，响应截止波长向长波长延伸。在SACM-APD型Ge/Si异质结探测器中，频率特性在大增益的情况下还受到雪崩建立时间的影响。对于SACM-APD型Ge/Si异质结探测器，在较高的光辐射或高外加偏压的情况下，受到雪崩倍增产生的载流子形成的空间电荷效应影响，雪崩增益下降，而器件的响应频率带宽增大，在某一偏压下，探测器有最大增益带宽积。应用领域光纤通信发展趋势2007年，MIT的Yin等报道了Si基Ge波导型PIN光电探测器，其量子效率在可探测区域内均高达90%，在1550nm处的响应度为1.08A/W，带宽为7.2GHz。随后，Vivien也报道了在SOI衬底上制备的Ge波导型光电探测器，外加偏压为-6V时带宽高达42GHz。Intel公司也报道了Ge波导性PIN光电探测器，偏压为-2V时带宽为31.2GHz。波导型光电探测器将光的传播方向与光生载流子的运动方向分开，不仅提高了响应度和带宽，并且容易与波导、调制解调器等更好的集成在一起。2008年，Inter公司的Kang等报道了分离吸收层、电荷层合积累层雪崩(SACM-APD)结构的Si基Ge光电探测器，其带宽增益积可达到340GHz，显著高于III-V族材料的探测器。2012年兰州大学的魏莹也分别设计了PIN型Ge/Si异质结光电探测器和SACM-APD型Ge/Si异质结光电探测器系统，并从二者的工作机理和对探测器探测性能两方面着手提出了优化计算模型，配以工艺技术分析了其未来发展趋势。在较大程度上避免当前器件结构设计的盲目性，增强制造过程中技术措施的针对性，对材料、结构、工艺和特性之间的相互制约关系取得更加深入的认识，并为解决器件实际使用过程中的相关问题提供新的思路。2014年，中科院理化所贺军辉团队和清华大学孙家林团队合作，在实现超宽带光探测方面取得重要进展，制作了还原氧化石墨烯—硅纳米线阵列异质结光探测器，实现了一个探测器就可以完成从可见光到太赫兹波的超宽带光探测，达到了以往多个探测器同时工作才能达到的探测带宽。实验证实，该探测器对人体红外辐射具有灵敏的响应，可用于人体红外传感如夜视领域。相关成果发布在《微尺度》上。象限探测器工作原理四象限光电探测器实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像。一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位），若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来。四象限光电探测器、常用于激光制导或激光准直中。目前在光电探测系统中广为使用的多元非成像光电探测器多为四象限光电探测器件。它包括各种规格的硅光电池以及类型各异的四象限光电二极管，如四象限PIN光电二极管、四象限雪崩光电二极管等。性能参数高响应（动态范围），可靠性好，宽温度范围。类型信噪比工作电压受温度影响信号电路应用四象限雪崩光电二极管较高150V-300V高复杂海尔发导弹四象限PIN光电二极管较低10-15V（@0.85μm）60-80V（@1.06μm）低简单可靠宝石路炸弹表6APD和PIN四象限探测器在制导应用中的对比使用条件影响四象限光电检测系统工作精度的因素主要包括外围大气环境、目标光斑大小和光斑能量分布以及系统本身采用的算法、器件响应差异和噪声所带来的四象限不均匀性。应用领域光电信号检测、光电定向、光电准直、光电对中、光电自动跟踪、光电制导、太阳能跟踪、原点定位、位置测量等。发展趋势美国海尔法导弹探测器采用的是硅雪崩四象限光电二极管探测器。雪崩四象限硅光电二极管由于本身能产生雪崩增益，使得整个探测系统的信噪比提高，探测距离更远。通常雪崩光电二极管系统的信噪比比PIN光电二极管探测系统的信噪比高一个量级。而雪崩象限探测系统的缺点是:目前条件下的雪崩探测器光敏面不能做得太大(一般直径为1～2mm)，从而影响导弹的跟踪视场。且雪崩硅光电二极管本身还具有工作电压偏高(通常为150～350V)，环境温度对其性能影响较大的缺点。激光导引头用四象限PIN光电二极管探测系统具有电子线路简单，性能稳定可靠的特点。PIN光电二极管探测系统中PIN光电二极管的工作电压Vp不需要太高(导引系统采用0.85μm激光时，Vp使用10～15V即可正常工作，导引系统采用1.06μm激光时，Vp使用60～80V)，且环境温度对其性能影响较小。我国在2005年就研制出了一种四象限激光探测器组件，并投入了生产中采用的光电探测器为φ6mm的Si-PIN光电二极管芯片，组件集成在一体积为φ23×25带玻璃光窗的金属管壳内。通过调节增益控制端的电压可以使光电探测器组件的响应度在102～104V/W之间变化，从而可使组件动态范围在万倍以上。2014年，周培松等人基于四象限探测器设计了一款激光跟踪仪目标脱靶量测量系统。实验表明，该系统测量速度快，每秒测量次数可达600次以上；测量精度高，在±500μm量程范围内精度可达5μm。该目标脱靶量测量系统可以广泛应用于微位小移测量的相关领域。图3脱靶量测量系统框图光电位置探测器（PSD）工作原理是根据横向光电效应(电压和电流信号随着光斑位置变化而变换的现象)的半导体敏感元件，将照射在光敏面上的光斑强度和位移量转换为电信号，以实现位置探测。性能参数以实际产品为例：SW806T-PSD型高灵敏宽量程射线探测器1、探头尺寸：φ65×310mm2、探测器尺寸：φ50x50mm，Nal闪烁晶体

3、测量范围：0.1uSv/h～200uSv/h

4、能量阈：35Kev

5、能量范围：48Kev～3.0Mev

6、灵敏度：600CPS/uSv/h

7、温度范围：-20℃～+50℃

8、相对湿度：≤95％

9、工作电源：9-36V此款射线探测器不仅具有高灵敏度，可以测量建筑材料是否含有放射物质，而且还具有良好的线性特性。其中主要优点是有潜力制作大面积器件而没有内部中断或分界面，以便它们对光输人信息提供连续的传感。不同类型的PSD性能对比：PSD类型电极特点性能电极型/Wallmark型电极设计为点状，使用时不加偏置。灵敏度、响应度和线性度等性能都很差。单面四横向直条电极电极单面条形布置，使用时要加偏压。各种性能提高，电极间互相影响，非线性度较大。双面分流直条形电极电极放在PN结的两面。电极间相互影响小，线性度显著提高，暗电流较大，不便于加反向偏压。枕型电极光敏面周边带弧度形电阻条的枕型结构。保持了四边形结构的性能优点，又有良好的线性度，但面积较小。直角形电极光敏面周边带直线形边界，并带了电阻边框。性能优异。使用条件位置分辨率是指最小可探测的光斑移动距离，它主要受器件尺寸、信噪比等因素影响。一般规律是尺寸越大的器件其分辨率越低，提高信噪比可以提高位置分辨率。暗电流由体漏电流和表面漏电流两部分组成，表面漏电流取决于材料质量、器件制作过程所采取的表面钝化工艺。暗电流存在于所有工作在反偏状态下的结型器件中，因此在PSD中也存在。由于存在暗电流，在设计信号放大器时必须选择具有适当偏置电流的运算放大器。应用领域各类辐射检测系统PSD；在位置坐标的精确测量上，如:兵器制导和跟踪、工业自动控制、或位置变化等技术领域。发展趋势2001年，澳大利亚西部大学电气与电子工程学院的J.Henry等人，用新的氢化非晶硅(a一si:H)肖特基势垒结构制作的薄膜位敏探测器PsD与常规的晶体硅器件位敏探测器进行了比较研究。测得a-Si:H结构的器件输出线性相关系数为r=0.983-0.997，晶硅器件如Pt/C-Si和Au-In/C-si器件的r近似为1。另外a-Si:H结构器件的空间分辨小于50林m，而晶硅(C一Si)结构器件的空间分辨小于1opm。量子阱光电探测器工作原理与传统探测器的探测机理不同，量子阱焦平面探测器是靠量子阱结构中光子和电子之间的量子力学相互作用来完成探测的。这种探测器使用带隙比较宽（GaAs为1.43eV）的Ⅲ-Ⅴ族材料，主要有光导型量子阱材料（GaAs/AlGaAs）和光伏型量子阱材料（InAs/InGaSb、InAs/InAsSb）两种类型。性能参数其中GaAs/GaAlAs材料体系发展得最为成熟，覆盖了从中波红外到超长波红外区域。采用这个材料体系制作量子阱红外探测器时，以GaAs作为量子阱材料，GaAlAs作为量子势垒材料，通过选择合适的量子阱厚度和势垒材料组分，可使量子阱红外探测器的响应波长满足8~14μm长波红外波段的要求。具有量子效率高、暗电流低等优点。使用条件虽然量子阱红外光电探测器是光电导体，但它具有高阻抗和低功耗，容易与低温读出电路匹配。量子阱红外光电探测器的主要优点是均匀、与成熟的III-V族材料技术相关的可重现性能、低背景应用时随工作温度降低性能持续提高、与可被其他III-V族器件共同使用的柔性设备相关的长期成本低。由于在低温和极长波红外波段的材料质量高，因此量子阱红外光电探测器有可能满足许多低背景、低温应用的系统要求。就列阵尺寸、均匀性和成本来说，对于一些长波红外和极长波红外焦平面列阵应用，量子阱红外光电探测器有优势。特别是，量子阱红外光电探测器在低温工作时有希望用于极长波红外。应用领域1)军事方面，QWIP可用来精确制导、战场监、军事目标的侦察、搜索和自动跟踪、探测地雷等，对避免人员伤亡，提高战斗力发挥巨大作用。2)工业方面，用于生系统和设备的故障检测。如电力系统，高压输电线路发生故障，检测十分困难，在直升飞机上，用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机，可迅速、准确地查出故障位置和严重程度。同时还可用于产品的无损探伤及质量鉴定。如金属、非金属材料及其加工部件的无损探伤及质量鉴定，金属焊接部件的质量鉴定。无需解剖、取样，便可迅速查出材料或部件内部的缺陷位置、大小和严重程度。3)消防方面，视觉受限是火灾中的主要问题，不论是森林大火，还是建筑物起火，浓厚的烟雾阻挡了消防人员的视线，这时可通过红外相机，找到起火点，了解建筑物内的情况，及时采取措施，减小财产损失，保障生命安全。4)医疗方面，人身体上有病变组织的温度和正常组织的会有所不同，利用它们之间的微小差别，通过QWIP可探测到病变的部位、发展情况和严重程度，辅助医务人员采取正确的治疗手段，病人得到早日康复。发展趋势和解决的问题量子阱红外焦平面探测器在384×288，640×512规模以上的大面阵和双色焦平面方面有应用价值，目前主要应用在工业及医疗。在允许进行长时间积分的军事领域也有应用，如德国的坦克驾驶员观察用热像仪，使用的是640×512元长波量子阱红外焦平面探测器，光谱响应范围8-9µm。量子阱红外焦平面探测器未来最有潜力的发展方向是空间军事应用，如多色（4色），超长波（14～16µm）大面阵。早在2002年，IEEE会员J.Jiang等人，用Si作衬底研制了InGaAs-InP量子阱红外光电探测器。使用低温成核层技术和厚缓冲层材料生长技术在Si上生长InP。使用现场热循环退火技术减少InP在Si上的线错密度。使用这个方法，使探测器的暗电流减小两个数量级，在77K和7-9μm波长范围得到探测灵敏度高达2.3×109cmHz1/2/W.与碲镉汞相比，量子阱红外探测器材料的优点是可提供更好的粘合强度、化学稳定性、掺杂能力以及热稳定性，加上GaAs/GaAlAs材料体系的材料生长技术比较成熟，所以近年来量子阱红外探测器材料得到了迅速发展，重点发展长波量子阱材料和多色量子阱材料技术，其中以美国喷气实验室的产品为世界最高水平。如美国喷气实验室设计的长波多量子阱周期结构包括4.5×10-6mm的GaAs（n=4×1017cm-3）阱和5×10-5mm的Al0.3Ga0.7As阻挡层，多量子阱结构夹在0.5μm的GaAs顶部和底部（掺杂浓度n=5×1017cm-3）接触层间。由这种量子阱材料制成的探测器在偏置电压为-3V时，响应峰值位于8.5μm，峰值响应率为300mA/W，光谱宽度Δλ/λ=10%，截止波长为8.9μm。美国喷气实验室设计的三色量子阱结构由3个多量子阱区组成，中间由GaAs接触层隔开。每个多量子阱结构大约有30个周期，每个周期包括一层厚度为5×10-5mm的AlxGa1-xAs势垒层和一层GaAs势阱层。势垒层中铝组分的x值和势阱中的几何深度根据所需的光谱响应选择。此外，喷气推进实验室以InGaAs/GaAs/AlGaAs材料体系为基础研制出640×512四色焦平面器件，其性能为：300K背景温度下f数为2，工作温度45K，各探测器的探测率均大于1011cm·Hz1/2W-1，可操作像元数为99.9%，可在4-5.5μm、8.5-10μm、10-12μm和13-15.5μm波长波段响应。目前，美国量子阱红外光电探测器技术公司也在加紧发展GaAlAs/GaAs四色焦平面阵列，阵列规模达到1024×1024元，波长覆盖可见光和长波红外，其中有二色为中波红外区。结语光电探测器正朝着超高速、高灵敏度、宽带宽以及单片集成的方向发展，它可广泛地应用于光通信、信号处理、传感系统和测量系统。参考文献[1]李修乾，激光辐照碲镉汞光电探测器实验研究，国防科技大学毕业论文，2002年[2]WijewarnasuriyaPriyalalS.MolecularbeamepitaxygrownlongwavelengthinfraredHgCdTeoncompliantSisubstrates［J］.InfraredTechnologyandApplicationsXXXIIProcofSPIE，2006，6206：11-1-11-10.[3]韩文，曹丽云，黄剑锋.PbS薄膜的研究进展.硅酸盐通报，2008，27(4):744-747[4]李国伟，PbS红外探测器的制备和性能研究，电子科技大学硕士论文，2010年[5]E.M.Larramendi，O.Calzadilla，A.Gonzalez-Arias，etal.EffectofsurfacestructureonphotosensitivityinchemicallydepositedPbSthinfilms.ThinSolidFilms.2001，389:301–306[6]RakeshK.Joshi，AlokeKanjilal，H.K.Sehgal.SolutiongrownPbSnanoparticlefilms.Appl.Surf.Sci.2004，221:43-47[7]J.Puišo，S.Tamulevicius，G.Laukaitis，etal.GrowthofPbSthinfilmsonsiliconsubstratebySILARtechnique.ThinSolidFilms，2002，403-404:457-461[8]褚君浩．窄禁带半导体物理学[M]．北京：科学出版社，2005：2-10[9]IkuoKanno，ShigeominH，YoshitakaK.FastResponseofInSbSchottkyDetector[C].2007AmericanInstituteofPhysics.[10]S.Datta，T.Ashley，J.Brask，andetal.85nmGateLengthEnhancementandDepletionModeInSbQuantumWellTransistorsforUltraHighSpeedandVeryLowPowerDigitialLogicApplications[C].2005InternationalConferenceonElectronicsandOptoelectronics.[11]O.Nesher，I.Pivnik，E.Ilan，andetal.HighResolution1280×1024-15µmPithCompactInSbIRDetectorwithon-chipADC[C].2009InternationalSymposiumonPhotoelectronicDetectionandImaging.[12]郑鑫，锑化铟探测器在波段外连续激光辐照下的效应研究，国防科技大学硕士论文，2011年[13]张玮，杨景发，闫其庚，硅光电池特性的实验研究，实验技术与管理第26卷第9期，2009年9月[14]GoldbergAC.Developmentofadual-bandLWIR/LWIRQWIPfocalplanearray［J］.InfraredDetectorsandFocalPlaneArraysVIIProceedingsofSPIE，20