光电探测器原理

光电探测器原理

光电探测器原理及应用

光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的

任何材料都可以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，是变光信号为电信号的元件。

光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。他们的区别在于，内光电效

应的入射光子并不直接将光电子从光电材料

内部轰击出来，而只是将光电材料内部的光

电子从低能态激发到高能态。于是在低能态

留下一个空位——空穴，而高能态产生一个

自由移动的电子，如图二所示。

硅光电探测器是利用内光电效应的。

由入射光子所上学路上 激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空

穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能，如果设法检

测出这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。

无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取

决于入射光波的波长或频率，这是因为光子能量E只和有关：

E=h（1）

式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波

长越短，频率越高，每个光子所具有的能量h也就越大。光强只反映了光子数

量的多少，并不反映每个光子的能量大小。

目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由

半导体材料制作的。

半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和P—N结型。

但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信

号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在

从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。

一、耗尽层光电二极管

在半导体中，电子并不处于单个的分裂

能级中，而是处于能带中，一个能带有许多

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个能级。如图三所示。

能带与能带间的能量间隙称为禁带，禁带中没有电子，电子从下往上填，

被电子全部填满的能带称为满带，最高的满带称为价带，紧靠在价带上面的能

带称为导带，导带只有部分被电子填充，或是全部空着。

内光电效应发生在导带与价带之间。价带中的电子吸收了入射光子的能量h

后被激发到导带中去，于是在导带中产生一个能自由运动的电子，而在价带

中留下一个空穴，空穴可以看作是一个带正电的载流子。空穴可以在价带中自

由移动。因此，当入射光子在半导体的夹带和导带中激发产生光生电子空穴对

后，将改变半导体的导电性能。

以半导体为材料制成的光电二极管，其核心是P-N结。P-N结是由P型半导

体和N型半导体结合而成的。由于扩散作用始终是浓度高的向浓度低的运动，

所以P型和N型合在一起时，寒假安全注意事项 P区的空穴会向N区移动，N区的电子会向P区移

动。结果会使P区变负，N区变正。电荷堆积在P-N结两侧形成广告媒介 自建电场，其方

向由N指向P。该自建电场阻止空穴和电子的进一步扩散并使之逐渐达到平衡，

于是在P-N结区形成了耗尽层。

为了提高光电二极管的响应速率，我们希望光生电子空穴对的产生尽量发

生在耗尽层内，因为在这一区域内一旦产生电子空穴对，电子和空穴立即被P-N

结内强烈的自建电场分开而各自向相反方向作漂移运动，如图4所示：

由于自建电场很强，所以电子和空穴漂移

运中国艺术大学 动的速度很快，如果光生电子空穴对在耗尽

层外产生，由于耗尽层外没有自建电场，所以

电子和空穴只能靠扩散到达P-N结区，会慢上

许多，将影响探测器的响应速率。所以实际上

使用时，会将光电二极管反向偏置，即N接正，

P接负，外加电场和自建电场方向相同。这使

得P-N结两侧的势垒进一步加大，耗尽层宽度

进一步加宽，允许更多的光生电子空穴对在高场强区产生，从而进一步提高光

电二极管的性能。

所以耗尽层光电二极管实质上是一个反向偏置工作的二极管，其反向工作

电流bit 受入射光调制。

二、雪崩光电二极管

雪崩光电二极管有内部增亦或放大作用，一个入射光子可以产生10-100对

光生电子空穴，使光电流大大增加，明显提高了光电探测器的灵敏度。

雪崩光电二极管内部增益如何产生

呢？

如前所述，在反向偏置二极管的耗尽

层中，存在着一相当强的电场。反向偏置

电压越高，耗尽层中电场强度越大。

如果耗尽层中的电场强度达到非常

高时，例如：对半导体硅雪崩光电二极管

来说，电场强度超过10V/cm时，在耗尽

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层中的光生电子和空穴会被强电场加速

而获得巨大的动能，他们将于其他的原子

发生碰撞而激发产生新的二次碰撞电离

的电子空穴对。这些新产生的电子空穴对

反过来又在耗尽层中被强电场加速而获

得足够的动能，再一次又与其他原子发生碰撞电离而激发产生更多的电子空穴

对。这样的碰撞电离一个接一个地不断发生，就形成所谓“雪崩”倍增现象，

使光电流放大，如图5所示。很明显，在半导体中，不仅电子可引起这种雪崩

倍增，空穴同样会造成雪崩倍增。

所加的反向偏置电压低于某个确定电压时，即低于所谓雪崩电压时，由碰

撞电离而产生的电子空穴对的总数是有限的，平均说来是正比于入射光子数或

初始光生载流子数。

一个载流子穿过单位距离时，由于碰撞电离所产生的电子空穴对的平均数，

称为载流子的离化率。离化率和耗尽层内的电场强按摩阴道 度密切相关。不同的半导体下巴长痘痘是什么原因

材料，离化率不相同。即使在同一种半导体材料中，不同类型的载流子的离化

率也是各不相同的，即电子离化率和空穴离化率彼此不通。