光电探测器的发展现状及分析

光电探测器的发展现状及分析【摘要】本文主要论述光电探测器的分类和原理，特性参数，发展历史和现状，同时，简单的总结各类光电探测器的特点和应用，最后，对于当代出现的新型光电探测器做简要的分析说明。【关键词】光电探测器，光电，探测器，发展现状引言光电探测器是一种利用光电效应将辐射能转换成电信号的器件，是光电系统的重要组成部分。光电探测器的发展历史由来已久，早在一百八十多年前，人们就已经发明了热电偶。由于光电探测器件在国防和人民生活中有重要的应用，其发展非常迅速。随着科技的发展，各种新型光电材料不断涌现，同时由于制造工艺的提高，光电探测器的性能有了很大的改善。随着激光和红外技术的发展，很多情况下单个光电探测器已不能满足系统需求，因此，阵列（线阵和面阵）光电探测器应运而生。同时，人们对光电探测器提出了更多要求，希望探测器能集成化，小型化，提高性能，降低成本，提高稳定性等。因此，整理现有的光电探测器为进一步的深入研究打下基础是一项很重要的课题，本文的主要任务是系统全面的梳理光电探测器的基本知识，以期读者能从中能受到启发，对光电探测器有个全面的了解。光电探测器分类和原理1.1光电探测器分类第一种分类：按照光电探测器件的物理效应可分为两类：一类是利用各种光电效应的光子探测器，另一类是利用温度变化效应的热探测器；1.光子探测器光子探测器的工作原理是基于光电效应，入射的光子和材料中的电子发生相互作用，若产生的光电子逸出材料表面，则称为外光电效应；若产生了被束缚在材料内的自由电子或空穴，则称为内光电效应。(1)外光电效应：光子发射效应；(1)内光电效应：光电导效应，光生伏特效应，光磁电效应。2.热探测器热探测器的工作原理是光热效应，材料吸收光辐射后可以产生温差电效应、电阻率变化效应、自发极化强度的变化效应、气体体积和压强的变化效应等等，利用这些效应可制作各种热探测器。常用的光热效应有：热释电效应，温差效应，测辐射热效应。第二种分类：按照光电探测器件的空间分辨率也可分为两类：一类是成像器件，另一类是非成像器件。1.成像器件利用光电探测器件，构成图像传感器，对可见光或者红外光谱进行测量，形成光学图像以供处理。主要有CCD和CMOS，广义上，眼睛也属于这类探测器。2.非成像器件所有除成像器件以外的光电探测器件均可称为非成像器件，各种热探测器和大部分光子探测器均属于这一类。1.2光电探测器原理1．光电子发射效应根据光的量子理论，频率为的光照射到材料表面时，材料中的电子将吸收的光子能量。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。逸出表面的光电子最大动能可有爱因斯坦方程描述： 式中：=是光电子动能，是光电子质量，是光电子离开材料表面的速度，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，=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==。当光频时，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探测器有：真空光电管、充气光电管、光电倍增管。其中，应用最广的是光电倍增管，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：称为长波限，亦即截止波长，：禁带宽度。 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决定，即： 因为，所以杂质光电导的长波限比本征光电导的长波限要长的多。 利用光电导效应的探测器有：光敏电阻。3．光生伏特效应在无光照时，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。加偏压工作的探测器也常称作光电二极管。图1.P—N结上的光电激发图2.光电导探测器应用利用光伏效应的探测器有：光电池，光电二极管，光电三极管，PIN，APD4．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。图3.光电磁效应图4.自发极化强度与温度T的关系因为这种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探测器。8.CCD与COMSCCD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,可实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。关于CCD与CMOS器件，将在下一个大作业里详细论述。2.光电探测器特性参数 光电探测器的种类很多，如何判断探测器的优劣，以及如何根据特定的要求恰当地选择探测器，就必须找出能反映光电探测器的特性参数。光电探测器的特性参数主要有以下几方面：1.量子效率光电探测器吸收光子产生光电子，形成光电流。由光子统计理论得到光电流与每秒入射的光子数成正比，即： 式中，为转换因子，；量子效率定义为：=，即单位时间探测器产生的光电子数与入射光子数之比。对于理想的探测器=1，即一个光子产生一个电子。但实际上不可能。当然，量子效率越高越好。2.响应度响应度是与量子效率相对应的一个宏观参量，，表征探测器输出信号与输入辐射之间的关系。包括：（1）电压响应度：入射的光功率所产生的信号电压，即：=/。（2）电流响应度：入射的光功率所产生的信号电流，即：=/。3.光谱响应度光谱响应是光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性，也称单色灵敏度，是光电探测器输出电压或输入电流与入射到光电探测器上的单色光通量之比，即：（V/W）（A/W）4.响应时间和频率响应是描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数。即当入射光到光电探测器后或入射光停止后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。在跃迁输入光功率的条件下，光电探测器输出电流为 （t）=（）（t）上升到稳态值的0.63倍时的时间（即t=）称为探测器的响应时间。由于探测器存在惰性，当用一定振幅的正弦调制信号照射探测器时，若调制频率低，则响应度与调制频率无关，若调制频率高，则响应度随频率升高而降低。响应度与调制频率的关系：式中：是调制频率=0时的响应度，是调制频率。当R(f)／R0＝0.707时，可得光电探测器的上限截止频率5.噪声等效功率（NEP）选择探测器似乎响应度越大越好，但是在探测极其微弱的信号时，限制探测器能力的不是响应度，而是噪声。一般的，使探测器的输出电压正好等于噪声电压时的入射光功率，称为等效噪声功率，即：S/N是信噪比。显然，NEP越小，噪声越小，光电探测器件的性能越好。6.探测率和比探测率定义=1/NEP，NEP表示最小可探测功率，其值越小越好，相反，表示探测器的探测能力，其值越大越好。可以表示成： 但是，仅根据探测率还不能比较不同探测器的优劣，因为，材料结构相同的光电探测器，若光敏面不同，测量带宽不同，则也不同。因此有必要对进行归一化处理，即得到比探测率：7.线性度 线性度是指光电探测器的输出光电流（或者光电压）与输入光功率成比例的程度和范围。在规定的范围内，输出电量必须精确的正比于输入光功率。，这一规定的范围称为线性区。线性度是辐射功率的复杂函数，是指器件中的实际响应曲线接近拟合直线的程度，用非线性误差来度量 式中Δmax为实际响应曲线与拟合直线之间的最大偏差；I1、I2分别为线性区中最小和最大的响应值。在光电检测技术中，线性度是应认真考虑的问题之一，应结合具体情况进行选择和控制。3.光电探测器的特点和应用光电探测器是光电探测系统的核心，根据需要实现的功能，以及光电探测器的原理，特性参数，使用环境，注意事项等，选择合适的光电探测器至关重要。下面以光电探测器件为中心，简单总结每种探测器的特点和应用。3.1外光电效应器件3.1.1真空光电管特点：=1\*GB3①挡光作用小，受光面积大，对聚焦光斑的大小要求不严格； =2\*GB3②光电子路程相同，渡越时间一致，极间电容小，高频特性好； ③可承受较大电流，线性度好④收集光电子效率低，灵敏度低，体积大，易破损；应用：光功率测量，光信号记录，电影电视，紫外——可见分光光度计。3.1.2光电倍增管特点：①光谱响应宽，灵敏度高； ②低功耗，低噪声，高分辨率；③要求工作电压非常稳定，入射光功率不能太高④需要金属外壳屏蔽干扰，体积较大。应用：光子计数，极微弱光探测，极低能射线探测，生化分析仪器，扫描电镜。图5.真空光电管图6.光电倍增管13.2内光电效应器件3.2.1光敏电阻特点：①价格低，体积小，质量轻，机械强度高，抗过载能力强，寿命长；②灵敏度高，光谱响应范围宽；工作电流大； ③易饱和，受温度影响大，频率特性差。应用：光控开关，紫外、红外、可见光探测器图7.光敏电阻图8.光电二极管3.2.2光电二极管特点：①体积小，频率特性好性好； ②灵敏度高，工作频率宽，响应速度快； ③定向性探测，光谱响应在可见光和红外； ④PIN输出电流小； ⑤APD受温度影响大，稳定性差应用：光纤通信，激光测距，微弱信号探测，3.2.3光电三极管特点：①光电流和灵敏度比光电二极管高； ②线性度差，易饱和 ③频率特性和温度特性差应用：光电控制，光电开关，光电逻辑元件，不适合做光电探测。图9.光电三极管1图10.光电三极管23.3热探测器件3.3.1热释电器件特点：①频率响应宽，时间常数小，探测率高；②大面积均匀敏感面，受环境温度影响小； ③极间电容大，不适合高速探测。应用：红外探测。3.3.2热敏电阻特点：①价格便宜，体积小，结构简单，可测点温度； ②温度系数大，灵敏度高； ③使用方便，寿命长； ④互换性差，非线性严重；应用：测量，控制。图11.热释电探测器图12.热敏电阻光电探测器总的选择匹配原则是：1.光电探测器和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配；2.光电探测器的光电转换特性和入射辐射能量相匹配；3.光电探测器和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配；4.光电探测器和输入电路的电气特性相匹配4.光电探测器的发展历史和现状最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探测器。其中，热电偶早在1826年就已发明出来。1880年又发明了金属薄膜测辐射计。1947年制成了金属氧化物热敏电阻测辐射热计。1947年又发明了气动探测器。经过多年的改进和发展，这些光辐射探测器日趋完善，性能也有了较大的改进和提高。从五十年代开始人们对热释电探测器进行了一系列研究工作，发现它具有许多独特的优点，一度使这个领域研究很活跃。但是，与光子探测器相比，这些光辐射探测器的探测率仍较低，时间常数也较大。应用广泛的光子探测器，除了发展最早、技术上也最成熟、响应波长从紫光到近红外的光电倍增管以外，硅和锗材料制作的光电二极管、铅锡、Ⅲ～Ⅴ族化合物、锗掺杂等光辐射探测器，目前均已达到相当成熟的阶段，主要性能已接近理论极限。1970年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引探测器。其主要用于CO2激光的探测。八十年代中期，出现了利用掺杂的GaAs/AlGaAs材料、基于导带跃迁的新型光探测器——量子阱探测器。这种器件工作于8～12μm波段，工作温度为77K。现在，光电探测器的发展主要集中在红外，美国已开始研制第三代红外探测器，并提出了第三代红外热像仪的概念，主要是双色或三色高性能、高分辨率、制冷型热像仪和智能焦平面阵列探测器。因此红外探测技术较长远的发展趋势是开发出第三代。由于红外探测器技术的不断完善，从探测器芯片上提升技术已相当困难。为进一步提高性能，人们现在把注意力转到红外探测器的信号读出集成电路（ROIC）上。随着计算机技术和集成电路的发展，ROIC已有很大的进展，中规模的红外焦平面阵列和相应的读出电路在20世纪90年代已形成生产规模。现在发达国家正在研制用于大规模焦平面阵列（三代器件）、有多种功能的ROIC和智能化焦平面阵列。智能化焦平面阵列是片上处理系统，在光敏芯片上模仿动物的视网膜功能，对光-电转换后的信号作预处理，然后再输出数据。这个过程虽然不属于直接接收光信号的过程，但对光电探测器的综合性能有极大影响。5.新型光电探测器介绍谐振腔增强型光电探测器（ResonantCavityEnhancedPhotodetector,RCEP）RCEP的基本结构是将吸收层插入到谐振腔当中。由于谐振腔的增强效应使其在较薄的吸收层下获得较高的量子效率，同时减少了光生载流子在吸收层的渡越时间，提高了器件的响应速度，因而能够解决传统探测器量子效率和响应速度之间的相互制约矛盾。这种谐振腔增强型光探测器将光学滤波器和光电探测器通过F-P微腔巧妙地集成在一起，其独特结构解决了普通光探测器量子效率与载流子渡越时间相互制约的问题，使其在量子效率和响应速度方面获得很大改进。其具有的波长选择特性，使这种新型器件可广泛应用于光探测器、光调制器、发光二极管等多种光电器件。量子点红外光电探测器（QDIP）量子点红外光电探测器（QDIP）可以用成熟的常规GaAs工艺制备，近年来受到人们的广泛关注。它不仅能够探测正入射光，而且还能在较高的温度下工作。这些都是量子阱红外光电探测器（QWIP）所难以比拟的。日本国防部技术研究与发展研究所电子系统研究中心通过与富氏实验室有限公司等单位合作，用以分子束外延方法生长的自组装量子点多层膜研制出了一种256×256像素长波红外QDIP焦平面阵列。该红外焦平面阵列的像元间隔为40μm，读出电路采用直接注入式输入结构，积分时间为8ms，帧速为120Hz，F数为2.5，工作温度为80K，为了评价该红外焦平面阵列的性能，研究人员将其装在一个集成探测器制冷机组件内，在80K温度下对其输出进行了测量。结果显示，该阵列的峰值响应波长为10.3μm，噪声等效温差为87mK。集成鱼眼光学部件的红外探测器以前，导弹预警系统只能通过使用独立的光学元部件来提供360°成像的。现在采用内置的360°成像技术，这种新型红外探测器可以减小导弹预警系统的光学传感器尺寸，同时使其变得更坚固。将360°成像透镜直接集成到红外探测器中，可以减少光学部件数量、提高相机的光学透过率，提高相机的灵敏度。同时，将成像透镜嵌入冷却室可以最大限度地减少杂散光，使热响应和背景电流变得更加稳定，因此无需再进行非均匀性校正。硅基雪崩光电探测器2008年12月7日，英特尔公司宣布其研究团队在硅光电子学领域取得了又一项重大的技术突破，成功使用基于硅的雪崩光电探测器（Silicon-basedAvalanchePhotodector）实现了创世界纪录的高性能，这款雪崩光电探测器使用硅和CMOS工艺实现了有史以来最高的340GHz“增益-带宽积”，这为降低40Gbps或更高数据传输速度的光学链路的成本开启了大门，同时也第一次证