简述光电探测器原理、种类及应用特性

光电探测器是光接收器中的重要组件，可将传入的光信号转换为电信号。半导体光电探测器通常被称为光电二极管，因为它们是光通信系统中使用的主要光电探测器类型，具有检测速度快、检测效率高和体积小的特点。

目前，光电探测器广泛应用于工业电子、电子通讯、医药保健、分析仪器、汽车交通等领域。这些也被称为光电传感器和光传感器。在本文中，小编简单介绍下光电探测器的主要类型及其工作原理。

基本概念

光电探测器的定义是：用于检测入射光或光功率并将其转换为电信号的光电器件称为光电探测器。通常情况下，此o/p信号与入射光功率成正比。这些传感器可以通过不同的科学技术手段实现，如过程控制、光纤通信系统、安全、环境传感以及国防应用。光电探测器的最佳例子是光电晶体管和光电二极管。

工作原理

光电探测器只是通过检测光或其他电磁辐射来工作，或者设备可以通过接收传输的光信号来工作。使用半导体的光电探测器根据光照射原理在电子-空穴对创建上运行。

一旦半导体材料被具有高能量或与其带隙相当的能量的光子照射，吸收的光子就会促使价带电子进入导带，从而在价带内留下空穴。导带中的电子表现为自由电子（空穴），可以在本征或外加电场的作用下分散。

由于光吸收而产生的光生电子空穴对可能会重新组合并重新发光，除非经过电场介导的分离以增加光电流，这是在接收到的光生自由电荷载流子的一小部分光电探测器装置的电极。指定波长的光电流大小与入射光的强度成正比。

主要特性

光电探测器包括不同的特性，主要表现在：

• 光谱响应——它是光电探测器作为光子频率函数的响应。
• 量子效率——每个光子产生的电荷载流子的数量。
• 响应度——它是输出电流除以落在检测器上的光的总功率。
• 噪声等效功率——这是生成与设备噪声大小相当的信号所需的光功率量。
• 探测率——探测器面积的平方根，除以噪声等效功率。
• 增益——光电探测器的输出电流除以探测器上的入射光子直接产生的电流。
• 暗电流——即使在光线不足的情况下，电流也流过探测器。
• 响应时间——检测器达到最终输出的10-90%所需的时间。
• 噪声频谱——固有噪声电流或电压是频率的函数，可以用噪声频谱密度形式表示。
• 非线性——光电检测器的非线性限制了RF输出。

主要类型

光电探测器根据光的探测机制分类，如光电/光电发射效应、偏振效应、热效应、弱相互作用及光化学效应。不同类型的光电探测器主要包括光电二极管、MSM光电探测器、光电晶体管、光电导探测器、光电管和光电倍增管。

1、光电二极管

这些是具有PIN或PN结结构的半导体器件，其中光在耗尽区内被吸收并产生光电流。这些设备速度快、线性度高、非常紧凑并产生高量子效率，这意味着它为每个入射光子产生几乎一个电子和高动态范围。

2、MSM光电探测器

MSM（金属-半导体-金属）光电探测器包括两个肖特基触点而不是PN结。与具有高达数百GHz带宽的光电二极管相比，这些检测器可能更快。MSM检测器允许超大面积检测器在不降低带宽的情况下轻松与光纤耦合。

3、光电晶体管

光电晶体管是一种使用光电流内部放大的光电二极管。但与光电二极管相比，这些并不常用。这些主要用于检测光信号并将其转换为数字电信号。这些组件仅通过光而不是电流来操作。光电晶体管成本低，增益大，因此被用于各种应用。

4、光电导探测器

光电导探测器也称为光敏电阻、光电池。这些探测器由某些半导体制成，例如CdS（硫化镉）。因此，该检测器包括一种半导体材料和两个相连的金属电极，用于检测电阻。与光电二极管相比，它们并不昂贵，但速度很慢，不是非常灵敏并且表现出非线性响应。或者，它们可以对长波长红外光做出反应。

光电导探测器根据光谱响应函数分为不同类型，如可见波长范围、近红外波长范围和红外波长范围。

5、光电管

用作光电探测器的充气管或真空管称为光电管，它是一种利用外部光电效应或光电发射效应的光电发射探测器。这些管子经常被抽空或有时充满低压气体，如下图所示：

6、光电倍增管

光电倍增管是一种光电管，可将入射光子转变为电信号。这些检测器使用电子倍增过程来获得大大增加的响应度。它们具有较大的活动区域和高速。有不同类型的光电倍增管可用，例如磁性光电倍增器、静电光电倍增器和硅光电倍增器。

应用电路

使用光电探测器的光传感器电路如下所示。在该电路中，光电二极管用作光电探测器以检测光的存在或不存在。该传感器的灵敏度可以通过使用预设进行简单调整。

该光传感器电路所需元器件主要包括光电二极管、LED、LM339 IC、电阻、预设等，然后按如下电路图连接电路即可：

如上图所示，光电二极管用作光电探测器，一旦光线落在电路上就会在电路内产生电流。在该电路中，光电二极管通过电阻R1在反向偏置模式下使用。因此，该R1电阻器不允许在整个光电二极管中提供过多电流，以防光电二极管上出现大量光滴。

当没有光落在光电二极管上时，它会在LM339比较器（反相输入）的引脚6处产生高电位。一旦光线落在这个二极管上，它就会允许电流供应整个二极管，因此电压会下降。比较器的pin7（非反相输入）连接到VR2（可变电阻）以设置比较器的参考电压。

另外，当比较器的非反相输入与反相输入相比为高时，比较器工作，然后其输出保持高。所以IC的输出引脚如pin-1连接到发光二极管。此处，参考电压在整个 VR1预设中设置为对应于阈值照明。在输出端，一旦光线落在光电二极管上，LED就会点亮。因此，与同相输入端的参考集相比，反相输入下降到一个较低的值，所以输出会向发光二极管提供所需的正向偏压。

光电探测器与光电二极管

光电探测器和光电二极管之间的区别包括以下内容。

量子效率

光电探测器的量子效率可以定义为通过光电导体吸收的入射光子与在探测器终端收集的产生的电子的比例，量子效率可以用'η'表示。

量子效率 (η) =产生的电子/入射光子总数 =（电流/电子电荷）/（总入射光子的光功率/光子能量）。

所以在数学上，它的公式就会变为：

η = (Iph/e)/(PD/hc/λ)

优缺点

光电探测器的优点主要包括以下内容：

• 体积小。
• 检测速度很快。
• 检测效率高。
• 产生的噪音较小。
• 并不昂贵，小巧轻便。
• 寿命很长。
• 具有高量子效率。
• 不需要高压。

光电探测器的缺点主要包括以下内容：

• 灵敏度非常低。
• 没有内部增益。
• 响应时间很慢。
• 检测器的有效区域很小。
• 电流内的变化极小，因此可能不足以驱动电路。
• 它需要偏移电压。

主要应用

光电探测器的应用非常的广泛，其中的一些应用包括以下内容：

• 用于不同的应用，从超市的自动门到您家中的电视遥控器。
• 它们是光通信、安全、夜视、视频成像、生物医学成像、运动检测和气体传感中使用的重要组件，具有将光准确地转换为电信号的能力。
• 用于测量光功率和光通量
• 主要用于不同种类的显微镜和光学传感器设计。
• 通常用于频率计量、光纤通信等。
• 光度测量和辐射测量中的光电探测器用于测量不同的特性，例如光功率、光强度、辐照度和光通量。
• 用于测量光谱仪、光学数据存储设备、挡光板、光束分析仪、荧光显微镜、自相关仪、干涉仪和各种光学传感器中的光功率。
• 用于激光雷达、激光测距仪、夜视仪和量子光学实验。
• 适用于光频率计量、光纤通信以及激光噪声或脉冲激光的分类。
• 具有多个相同光电探测器的二维阵列主要用作焦平面阵列，并且经常用于成像应用。

常见问题

1、光电探测器有什么用？

答：光电探测器用于将光的光子能量转换为电信号。

2、光电探测器的特点是什么？

答：光电探测器的特性是光敏性、光谱响应、量子效率、正向偏置噪声、暗电流、噪声等效功率、时间响应、终端电容、截止频率和频率带宽。

3、光电探测器有哪些优势？

答：光电探测器的优势是，响应时间短，噪声贡献最小，可靠性高，灵敏度高，在很宽的光强度范围内具有线性响应，低偏置电压，低成本和性能特征的稳定性。

4、光电探测器的规格中使用了什么？

答：噪声等效功率用于光学检测器的规范，因为它是光输入功率，它产生额外的输出功率，该输出功率等于指定带宽的噪声功率。

5、量子产率和量子效率是否相同？

答：量子产率和量子效率并不相同，因为一旦一个光子被吸收，光子发射的概率就是量子产率，而量子效率是一旦系统被激发到其发射条件，光子发射的概率。