[激光原理与应用-36]：《光电检测技术-3》- 光学测量基础 - 光电效应与光电探测器的基本原理

目录

一、概述

二、光电检测的理论基础：光电效应

三、分类

3.1 光子效应

3.2 热效应

四、光电检测器的参数

五、常见的光电探测器

5.1 光电倍增管：微弱光信号转换成电信号

5.2 光电导器件：电阻或电流随着光强的变化而变化

5.3 光伏探测器：输出电压取决于光信号的强度

5.4 CCD 图像传感器

5.5 热点探测器

六、光电探测器件的技术要求

七、应用

一、概述

光探测器，又名“光检测器”，是光接收机的首要部分，是光纤传感器构成的一个重要部分，它的性能指标将直接影响传感器的性能。

光探测器，能检测出入射到其面上的光功率，并把这个光功率的变化转化为相应的电流或电压的变化。

由于光信号在光纤中有损耗和失真，所以对光探测器的性能要求很高。

其中最重要的要求是在所用的光源的波长范围内有较高的灵敏度、较小的噪声，响应速度快以适应速率传输。

二、光电检测的理论基础：光电效应

光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。在高于某特定频率的电磁波（该频率称为极限频率threshold frequency）照射下，某些物质内部的电子吸收能量后逸出而形成电流，即光生电。

光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响。

光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。

光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。

前一种现象发生在物体表面（电子发射），又称外光电效应（photoelectric emission）。

后两种现象发生在物体内部（电导率），称为内光电效应。

按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的物质(如硒)上时，它的能量可以被该物质中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量后，动能立刻增加; 如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。

单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。

赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。光频率大于某一临界值时方能发射电子，即截止频率，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累到足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。

光电效应里电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关。光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。光电效应说明了光具有粒子性。

 只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。在入射光一定时，增大光电管两极的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，电流也随之增大。

三、分类

根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：

一类是光子探测器；

另一类是热探测器;

3.1 光子效应

（1）外光电效应

• 光电效应：电子外溢，形成电流

（2）内光电效应

• 光电导效应：电导率发生变化
• 光伏效应：指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

3.2 热效应

光热效应指材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造成物质的电学特性的变化。红色的光的热效应最大。

光热效应是指材料由于温度的变化而造成物质电学特性的变化。

利用光热效应的探测器有热敏电阻、热电偶、热电堆和热释电探测器等。

四、光电检测器的参数

五、常见的光电探测器

5.1 光电倍增管：微弱光信号转换成电信号

光电倍增管是将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。

光电倍增管建立在外光电效应、二次电子发射和电子光学理论基础上，结合了高增益、低噪声、高频率响应和大信号接收区等特征，是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光敏电真空器件，可以工作在紫外、可见和近红外区的光谱区。日盲紫外光电倍增管对日盲紫外区以外的可见光、近紫外等光谱辐射不灵敏，具有噪声低（暗电流小于1nA）、响应快、接收面积大等特点

光电倍增管用在光学测量仪器和光谱分析仪器中。它能在低能级光度学和光谱学方面测量波长200~1200纳米的极微弱辐射功率。闪烁计数器的出现，扩大了光电倍增管的应用范围。激光检测仪器的发展与采用光电倍增管作为有效接收器密切有关。电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。光电倍增管广泛地应用在冶金、电子、机械、化工、地质、医疗、核工业、天文和宇宙空间研究等领域。

5.2 光电导器件：电阻或电流随着光强的变化而变化

半导体光电器件是指把光和电这两种物理量联系起来，使光和电互相转化的新型半导体器件。即利用半导体的光电效应（或热电效应）制成的器件。光电器件主要有，利用半导体光敏特性工作的光电导器件，利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。这一节中简略地向大家介绍一下这些光电器件的工作原理。半导体光电器件如光导管、光电池、光电二极管、光电晶体管等；半导体热电器件如热敏电阻、温差发电器和温差电致冷器等。

光电导器件主要有光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。

（1）光敏电阻：电阻随着光强的变化而变化

这是一种半导体电阻。在没有光照时，电阻很大；

在一定波长范围的光照下，电阻值明显变小。

制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化铟、硫化铅、硒化镉、硒化铅等。硫化镉光敏电阻对可见光敏感，用硫化镉单晶制造的光敏电阻对X射线、γ射线也敏感；硫化铅和锑化铟对红线外线光敏感。利用这些光敏电阻可以制成各种光探测器。

感光面积大的光敏电阻，可以获得较大的明暗电阻差。如国产625-A型硫化镉光敏电阻，其光照电阻小于50千欧，暗电阻大于50兆欧。

（2）光电二极管：二极管导通取决于光信号的强度

光电二极管的管芯也是一个PN结，只是结面积比普通二极管大，便于接收光线。

但和普通二极管不同，光电二极管是在反向电压下工作的。它的暗电流很小，只有0 1微安左右。

在光线照射下产生的电子----空穴对叫光生载流子，它们参加导电会增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关，因此，反向饱和电流会随着光强的变化而变化，从而可以把光信号的变化转为电流及电压的变化。

光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪器中，还可以作为光导纤维通信的接收器件。

（3）光电三极管：三极管导通取决于光信号的强度

光电三极管的结构与普通三极度管相同，但基区面积较大，便函于接收更多的入射光线。入射光在基区激发出电子----空穴时，形成基极电流，而集电极电流是基极电流β倍，因此光照便能有效地控制集电极电流。光电三极管比光电二极管有更高的灵敏度。

5.3 光伏探测器：输出电压取决于光信号的强度

利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏探测器，也称结型光电器件。

光敏元：是检测光信号的，并转换成电信号的最小单元！

 （1）一维PSD位置敏感传感器

一维PSD由无数个光敏元排列成一条直线。

PSD位置传感器是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器。

它是一种非分割型器件，可将光敏面上的光点位置转化为电信号。

光点照射在不同的位置，其输出电流是不相同的。

这是一种新型的光电器件，或称为坐标光电器件。

备注：通过2个管脚的电压的大小，确定光斑在线段中的位置。

 （2）二维PSD位置敏感传感器

二维PSD由无数敏元排列成一个矩阵。

备注：通过4个管脚的电压的大小，确定光斑在平面区间中的位置。

5.4 CCD 图像传感器

CCD传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。

当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。

它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。

它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。

CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成1个二平面的器件；而线阵是把CCD像素排成1个一维直线的器件。

二维CCD采用到的是空间的每个点的光的像素信息，是一个二维的图片信息。

5.5 热点探测器

热探测器是用探测元件吸收入射辐射而产生热、造成温升,并借助各种物理效应把温升转换成电量的原理而制成的器件。

最常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。

一般来说，热探测器的接收元由于表面涂黑它的光谱响应是无选择性的，它只受透光窗口光谱透射特性的限制，因此主要应用于红外区和紫外区，但它的响应率较低、响应速度慢、机械强度低，

六、光电探测器件的技术要求

为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。

现将光电探测器件的应用选择要点归纳如下：

（1）光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。

如果测量波长是紫外波段，则选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件；如果信号是可见光，则可选用光电倍增管、光敏电阻和Si光电器件；如果是红外信号，则选用光敏电阻，近红外选用Si光电器件或光电倍增管；

（2）光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。

其中，首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好，因光源必须照到器件的有效位置，如光照位置发生变化，则光电灵敏度将发生变化。如光敏电阻是一个可变电阻，有光照的部分电阻就降低，必须使光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效地利用全部感光面。光电二极管、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积，故一般把透镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。一定要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内，以确保获得良好的线性输出。对微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以确保一定的信噪比和输出足够强的电信号；

（3）光电探测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。

这种情况主要是选择响应时间短或上限频率高的器件，但在电路上也要注意匹配好动态参数；

光电探测器必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等；

为使器件能长期稳定可靠地工作，必须注意选择好器件的规格和使用的环境条件，并且要使器件在额定条件下使用；

七、应用

光电探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。

在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料，如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。