光电探测器

光电探测器

作者：小白你可以的

摘要

本文研究了近期崛起的高科技新秀：光电探测器。本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器，使大家对光电探测器有一个初步的理解。了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料，而且对研发新的光电探测器有所帮助

一、简单介绍引入

光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时，性质会发生各种变化的材料。光电探测器能把辐射信号转换为电信号。辐射信号所携带的信息有：光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等，其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示，从而进行探测。

光电探测器的发展历史：

1826年，热电偶探测器→1880，金属薄膜测辐射计→1946，热敏电阻→20世纪50年代，热释电探测器→20世纪60年代，三元合金光探测器→20世纪70年代，光子牵引探测器→20世纪80年代，量子阱探测器→近年来，阵列光电探测器、电荷耦合器件（CCD）

这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面，都有着不可或缺的作用。

二、光电探测材料的分类。

由于器件对辐射响应的方式不一样，以此可将光电探测器分为两大类，分别是光子探测器和热探测器。

光子探测器

光电子发射探测器光电导探测

器

光伏探测器

热探测器

热敏电阻热电偶

热释电探测

器

○1光子探测器：光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。

○2利用光热效应制作的元件叫做热探测器，同时也叫热电探测器。（光热效应指的是当材料受光照射后，光子能量会同晶格相互作用，振动变得剧烈，温度逐渐升高，由于温度的变化，而逐渐造成物质的电学特性变化）。

若将光电探测器按其他种类分类，则

按应用分类：金属探测器，非成像探测器（多为四成像探测器），成像探测器（摄像管等）。

按波段分类：红外光探测器（硫化铅光电探测器），可见光探测器（硫化镉、硒化镉光敏电阻），紫外光探测器。

三、工作原理

光电探测器是如何工作的呢？

○1热探测器

热探测器的工作原理是基于光电材料吸收光辐射能量后温度升高，从而改变其电学性能，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。

热探测器吸收红外辐射后，温度升高，可以使探测材料产生温差电动势、电阻率变化，自发极化强度变化，或者气体体积与压强变化等，测量这些物理性能的变化就可以测定被吸收的红外辐射能量或功率。

具体例子：

（1）热胀冷缩效应：液态的水银温度计及气动的高莱池。

（2）Seebeck效应（第一热电效应）：热电偶和热电堆。

（3）石英共振器非制冷红外成像列阵：利用共振频率对温度敏感的原理来实现红外探测。

（4）测辐射热计：利用材料的电阻或介电常数的热敏效应—辐射引起温升改变材料电阻—用以探测热辐射。因半导体电阻有高的温度系数而应用最多，测温辐射热计常称“热敏电阻”。

另外，由于高温超导材料出现，利用转变温度附近电阻陡变的超导探测器引起重视。如果室温超导成为现实，将是21世纪最引人注目的一类探测器。★（5）自发极化强度随温度的变化而变化效应：Pyroelectric detector（热释电探测器）。

因为热释电探测器在热探测器中探测率最高，而且频率响应最宽，所以这类探测器很受重视，发展很快。下面重点探讨一下热释电探测器的工作原理。

在某些晶体（如碳酸钡、硫酸锂）的上、下面设置电极，在上表面覆以黑色膜，若有红外辐射间歇地照射时，其表面温度会上升△T，这时晶体内部的原子排列将产生变化，从而引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压。

目前认为比较有发展前途的晶体：

d d d =P P T J d t d T dt

?=?? 若热电系数为p ，p=

d P d T ?（用来描述热电效应的强弱），则J=d p T dt

?。

【菲涅尔透镜：主要作用是只允许波长在10μm 左右的红外辐射(人体发出的红外线波长)通过，而将灯光、太阳光及其他辐射拒在门外，从而抑制外界的干扰。】

当有人侵入探测区域内时，人体产生的红外辐射会通过部分镜面聚焦，并被热释电元件接收。由于角度不同，两片晶体接收到的热量不同，产生的热释电能量也不一样，不能完全抵消，经处理电路处理后将输出控制信号。利用此原理，可制成离走开关（用于灯，空调，电扇等电器），或者生物探测仪等。

○

2光子探测器

接电源正极 接信号源

极性相反，特性一致。

目的是为了消除环境

和自身变化引起的干

扰。

光子探测器与热探测器的最大区别是光子探测器对光辐射的波长有选择性。光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件，是一种电流放大器件。它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。尤其，光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测；但它的缺点是结构复杂，体积较大，工作电压高。光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。

根据光电子探测器的分类：

○

1光电子发射探测器Photoemissive detector ： 原理：外光电效应，当光照射到某种物质时，若光子能量足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子溢出物质的表面（光电子）。

爱因斯坦方程：光子能量 = 移出一个电子所需的能量 + 被发射的电子的动能

212

hf mv W =

+；0W hf =； hf Em ?=+；0hf ?=;212m m E mv = 【其中h 是普朗克常数（346.6310h J s -=??），f 是入射光子的频率，φ是功

函数，从原子键结中移出一个电子所需的最小能量，E 是被射出的电子的最大动能，0f 是光电效应发生的阀值频率， m 是被发射电子的静止质量，m v 是被发

射电子的速度，注：如果光子的能量（hf ）不大于功函数（φ），就不会有电子射出】

主要参数：光照灵敏度S （单位/A lm μ），当照射在光阴极的入射光频率或频谱成分不变时，饱和光电流与入射光的强度为正比关系。（光电发射第一定律，斯托列托夫定律）用公式表示为：

k e

I S =Φ 其中k I 为光电流，e Φ为光照强度。

光电发射材料：

1，纯金属。大多数金属的光谱响应都在紫外区或者远紫外区，所以可以作为对紫外辐射灵敏的探测器。

2，半导体或者掺杂金属。表面吸附一层其他原子的金属和半导体。

3，光电阴极。

（好的光电发射材料需要光吸收系数大、光电子在内部传输中能量损失最小、表面势垒低）

光电发射基本过程：

主要应用：

单光子探测技术。通过记录逐个单光子产生的脉冲数目来检测及其微弱的光信号。

正电子发射扫描仪。光电倍增管与闪烁体组合七射线，确定患者体内碎灭电子的位置，而得到CT 像。

○2光电导探测：利用了光电导效应，即由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象（是内光电效应的一种）。

○

3光伏探测器：利用半导体PN 结光伏效应制成的器件。 pn 结中电子向P 区，空穴向n 区扩散，使p 区带负电，n 区带正电，形成由不能移动离子组成的空间电荷区（耗尽区），同时出现由耗尽层引起的内建电场，使少子漂移，并阻止电子和空穴继续扩散，达到平衡。在热平衡下，由于pn 结中漂移电流等于扩散电流，净电流为零。

如果有外加电压时结内平衡被破坏，这时流过pn 结的电流方程为：

/0=(e 1)qV kT D I I ；

D I ：流过pn 结的电流。0I ：PN 结的反向饱和电流（暗电流）

。V ：加在PN 结上的正向电压。

四、 工作参数

为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，就要使相互连接的各器件都处于最佳的工作状态，所以光电探测器要与被测信号、光学系统以及后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配。

1、灵敏度（或称响应度）

灵敏度RV (或RI ) 的定义为：探测器输出电压VS（或输出电流IS）与输入光功率P之比。

由于灵敏度与入射光波长关系密切。入射波长不同，探测器的灵敏度也不同，所以一般还须给出灵敏度的光谱响应特性。在光谱响应特性曲线中，探测器的光谱响应范围是峰值灵敏度下降一半时的波长范围。但对具体器件的光谱响应范围的定义可能不同，例如对光电倍增管的定义为下降到峰值灵敏度的1% 或0.1%的波长范围。

量子效率是从光的量子特性出发来定义灵敏度，表示单位时间内流出探测器件的电子流与入射光子流之比。

2、噪声等效功率(NEP)

NEP定义为：探测信噪比S/N＝1时（信噪比是指信号的峰峰值和噪声的有效值之比），入射到探测器上的信号光功率。它表示探测器的噪声电平和探测器对微弱光信号的探测能力。由于噪声电平与测量带宽的根号成正比，所以NEP规定在1Hz带宽条件下的测量结果。NEP越小，则探测器的探测灵敏度越高。3、探测率D

探测率D定义为NEP的倒数，这样D越大表明探测器的灵敏度越高。它表示单位入射辐射功率所产生的信噪比，当然，D值越大，表示器件的探测性能越好。任何探测器都有噪声，比噪声起伏平均值更小的信号实际上检测不出来。产生如噪声那样大的信号所需的辐射功率，称为探测器能探测的最小辐射功率，或称等效噪声功率。有时用探测率描述探测器的灵敏度。

除此之外，还有一些重要的指标，如反映探测器噪声电平的暗电流Id，探测器的接收截面Ad（会影响灵敏度和时间响应），探测器随温度的变化特性，半导体光电探测器的结电容（决定了时间响应），以及最大反偏电压、光照功率允许范围等，在使用时都必须注意的。

五、典型产品与应用。

1，军事方面：由于现代军事对精确作战情报的需要，光电探测器在此发挥了它极大的优势，期中有：

激光雷达：

是激光技术与现代光电探测技术相结合的一种探测方式。在军事方面广泛应用。由发射器、天线、接收器、跟踪架、信息处理等构成。其中发射器是激光器，如半导体激光器等。天线是望远镜。接收器则是光电探测器，如雪崩光电二极管等。

如美国的弹道导弹防御激光雷达，经研究表明，当被动红外系统、激光雷达相结合时，根据连续的红外方位和俯仰测量结果与激光雷达的精确距离测量数据，可使目标弹道估算迅速收敛，使弹道估算误差成数量级地下降。障碍回避激光雷达。

激光雷达的优点是可以精确目标的位置、运动状态、形状等特征，进而进行探测、识别、跟踪。此外，该项技术反应时间短，能部分穿过水体等特点，为它在各领域的应用，开阔了路径。

红外探测技术

红外探测系统一般分为热像仪以及红外夜视仪两类。现代军事作战中，大多

采用热像仪（前视红外装置）。一般的夜视器材都是利用目标的反射光线成像的，而热像仪不同，它是靠接收目标自身的红外辐射一切物体，既不依靠光源也不需要主动携带红外光源，而只要其温度比绝对零度高就会产生红外辐射，是新一代的夜视装备。战争中的目标如飞机、坦克等的温度一般都比周围环境温度高，所以热像仪可进行远距离侦察、监视、、化学战剂、跟踪和探测伪装、地雷等。目前已被各国广泛使用。

我国热像仪在军事上的应用：

图注：https://www.360docs.net/doc/dc9433104.html,/2014-11-10/170241259.html

2，生活方面：

随着经济的发展，社会财富的增长，人们越来越在意对火灾的预防。其中，火灾预警新秀光电感烟探测器开始大显身手。光电探测器的组成部分有：光源、光电元件、迷宫般的型腔密室和电子开关。利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。光电式感烟探测器根据其结构和原理可以分为遮光型和散射型两类。其中散射型的工作原理为：没有烟雾时，由于光不能射在光敏元件上，电路维持在正常状态。如果发生火灾产生烟雾时，光经过弥散的烟雾粒子的反射或散射可以到达光敏元件上，进而光信号转换成电信号，经放大电路放大后。驱动报警装置，发出火灾报警信号。

六、前景与市场

随着21世纪信息产业的高速发展，人类将全面步入信息爆炸时代，信息产业将成为世界的支柱产业。而光电子产业作为高科技信息产业必不可少的构成部分,无论对世界经济、社会的发展还是对人类的进步，都产生了巨大推动作用。同时作为未来高科技竞争的重点之一，光电子产业有力地改变了世界各国的高科技竞争力的格局。所以无论是眼前还是不远的未来，光电子信息产业都无疑会成为全球经济中最有发展前景、最富有活力、最有竞争力的产业之一。

以日本为例：日本在光电子产业无论在生产制造还是消费方面，均一直处于领先地位。根据日本光电产业技术振兴协会公布的光学产业市场产值的数据显示：在日本政府公布的15个产业领域需求增长率中，光电子产业居于第二位。由此可以看出光电子产业在今后仍会以很高的速度增长。

如下图：

而光电子产业也不是以单一形式存在，它是一个由相关的基础技术与基础设施支撑的多种产业的结合体，可将其地比做一棵大树。而滋养这棵大树的土壤分别为：制造设施，技术力量，研究机构，研发资源，政府基金，风险投资等。维持这棵大树的脊梁是光电子技术，包括LD/LED ，光探测器，图像传感器等等。 作为光电子产业的核心部分，光电探测器由于它对军事、生活的重要性，比其他产品发展更显速度。虽然它是一种高科技技术产品，但是它已有久远的发展历史。随着红外与激光技术的发展，材料性能的改进和制造工艺的不停完善，光电探测器开始朝着集成化的方向发展。这样很大程度的缩小了体积，同时改善了性能、降低成本。

如今，经过多年发展，我国的光电探测产业已形成了一定的基础，但同欧美、日本等国相比尚存在一定的差异。我国不仅有巨大的光电探测消费市场，同时也有相当的基础和技术。这无疑是我国光电技术发展的良机。要健康发展光电探测这一领域，须：

培养高科技技术人才，特别是对现在青年人的教育与培养。

引进国外高新技术设备，在研究国际成果的同时，开发我国自主创新的技术领域。 着重扶持自主开发和拥有自主产权的企业机构，大力培养具有竞争力的集团，同时建立产业研发产地。

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2003200420052010总产值（万日元）年增率（%）日本光电产业技术振兴协会（OITDA ）

认清市场现状，不盲目生产发展。顺应市场发展脚步。做到健康快速的发展光电探测行业。

七、结语

光电探测器在各种生活、经济、军事等方面均有重要的用途，比传统探测器更加准确。更能符合现代生产的发展需要。虽然有很长的发展历史，但是仍有很强的生命力和活力，并具有广阔的发展前景。希望通过本文可以使大家都光电探测器有一个大致的了解。

参考文献

全部作者，标题，期刊、卷(期)、pp. 起止页码(刊出年).

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31日

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5.黄继昌，徐巧鱼等. 传感器工作原理及应用实例[M] ，人民邮电出版

社.