光电探测器概述解析
光电探测器综述(PD)讲解
光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。
尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。
本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。
关键词：光电探测器，Si ,CMOSAbstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, highperformance, low power consumption and low cost of photoelectricdetector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) hasbecome a major new challenge. Especially high response speed ，highquantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector,is not only the needs for development of optical communication technology,but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has thevery high research value.This paper reviews the development of differentcharacteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses thephotodetector development direction in the next few years,the study of highperformance photoelectric detector, the structure, and related technology,manufacturing, has very important practical significance.Key Word: photodetector, Si ,CMOS一、光电探测器1.1概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是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。
光电信号检测光电探测器概述概要课件
光电探测器的工作原理
光电探测器的工作原理基于光子与物质相互作用产生电子-空穴对或光生电场效 应，从而将光信号转换为电信号。
具体来说，当光子照射到光电探测器的敏感区域时，光子能量被吸收并产生电子 -空穴对，这些电子-空穴对在电场的作用下分离并形成光电流，从而完成光信号 到电信号的转换。
光电探测器的应用领域不断拓 展，如物联网、智能制造、无 人驾驶等新兴领域，为市场发 展带来更多机遇。
05
光电探测器的挑战与展望
光电探测器的挑战与展望
• 光电探测器是用于检测光信号并将其转换为电信号的器件，广泛应用于光通信、环境监测、安全监控等领域。随着光电子技术的发展，光电 探测器的性能不断提高，应用范围不断扩大。
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04
光电探测器的市场前景
全球市场情况
光电探测器在全球范围内应用广泛，包括通信、工 业、医疗、安全等领域。
随着技术的不断进步和应用需求的增加，全球光电 探测器市场规模持续增长。
市场竞争激烈，各大厂商在技术研发、产品创新等 方面不断投入，以提高市场份额。
中国市场情况
02
01
03
中国光电探测器市场发展迅速，成为全球最大的光电 探测器市场之一。
光电探测器的分类
01
光电探测器可以根据工作原理、材料、波长响应范围、光谱响应特、光电发射型等；按材料可分为硅基、锗 基、硫化铅等；按波长响应范围可分为可见光、红外、紫外等；按光谱响应特 性可分为窄带、宽带等。
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•·
02
光电探测器的应用
通信领域的应用
光纤通信
光电探测器在光纤通信中起到至关重要的作用。它们能够将光信 号转换为电信号，使得信息的传输和处理成为可能。
光电探测器
2、光电导(PC)探测器
其工作原理基于内光电效应。 光电导效应？
半导体吸收能量足够大的光子后，会把其 中的一些电子或空穴从原来不导电的束缚 态激活到能导电的自由态，从而使半导体 电导率增加。
(1)特点
光电导探测器的结构一般为金属一半导体 一金属（测
一、 光电探测器的定义 及工作原理
光电探测器接收光信号并进行光电转换， 是半导体电子学的重要器件，是光电系统中 的重要组成部分，被称为这类仪器的“心 脏”。
光电探测器是利用入射的光子流与探测 材料中的电子之间直接互相作用，从而改变 电子能量状态的光子效应来制作的一类器件。
二、光电探测器的分类
PE探测器
2001年，美国军方实验室的Liang等人利用 MOCVD方法以蓝宝石为衬底生长ZnO薄膜，制 备出MSM结构肖特基型紫外探测器。
2004年，浙江大学叶志镇等利用磁控溅射生 长的ZnO薄膜，采用Au电极形成肖特基接触， Al电极形成欧姆接触，在Si(100)衬底上制 备出肖特基型ZnO紫外探测器，Si3N4为绝缘 隔离层，器件性能较好。
光电探测器
PC探测器
PV探测器
1、光电子（PE）发射探测器
此探测器的工作原理是基于外光电效应。
当辐射照射在某些金属、金属氧
外
化物或半导体材料表面时，若光
光 电
子能量hv足够大，则足以使材料
效
内一些电子完全脱离材料从表面
应
逸出。
与外光电相对应的则为内光电效应，两 者的不同点在与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电子从低能态激发到高 能态，于是在低能态留下一个空位一空穴对， 而在高能态上产生一自由移动的电子，形成 光生电子一空穴对。通过检测这一性能的变 化，来探测光信号的变化。本节主要讨论的 利用内光电效应的光电探测器的制备及其性 能特点。
什么是光的光电探测器和光电导
什么是光的光电探测器和光电导？光的光电探测器和光电导是光电传感器的重要类型，用于检测和测量光信号。
本文将详细介绍光的光电探测器和光电导的原理、结构和应用。
1. 光电探测器（Photodetector）的原理和结构：光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件。
它基于光子的能量被半导体材料吸收，激发带载流子，从而形成电流的原理。
最常见的光电探测器类型是光电二极管（Photodiode）和光电倍增管（Photomultiplier Tube），前文已经详细介绍过。
除了这两种常见类型，还有其他一些光电探测器，如光电晶体管、光电场效应晶体管和光电导等。
光电探测器的结构和工作原理与具体的类型有关。
总体而言，光电探测器通常包括光敏元件、电极、引线和封装等部分。
光敏元件是用于吸收光信号并产生电荷载流子的材料，电极用于收集和测量电流，引线用于连接光电探测器与外部电路，封装则是保护和固定光电探测器的外壳。
2. 光电探测器的应用：光电探测器在许多领域有着广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：-光通信：光电探测器用于接收光信号，将光信号转换为电信号，并通过电路进行处理和解码，实现光通信的接收端。
-光测量：光电探测器可以用于测量光的强度、波长、频率和相位等参数，用于光谱分析、光度计和光谱仪等。
-光电检测：光电探测器可以用于检测物体的存在、位置和运动等，用于光电开关、光电传感和光电探测等应用。
-光电能转换：光电探测器可以将光能转化为电能，用于太阳能电池板和光伏发电系统等。
3. 光电导（Photoconductor）的原理和结构：光电导是一种能够根据光信号的强度来改变电导率的材料。
光电导的原理是光照射到材料上时，光子的能量被吸收，激发带载流子，从而改变材料的导电性能。
光电导材料通常是半导体材料，如硒化铟（Indium Selenide）、硒化镉（Cadmium Selenide）和硒化铅（Lead Selenide）等。
光电探测器简介演示
contents
目录
• 引言 • 光电探测器的基本原理 • 光电探测器的种类与特点 • 光电探测器的性能指标 • 光电探测器的应用案例 • 总结与展望
01
CATALOGUE
引言
什么是光电探测器
• 光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的装置，它利用 了光的能量和物质的相互作用来产生电信号。光电探测器在许 多领域都有广泛的应用，如光学通信、光谱分析、环境监测、 安全监控等。
安全监控
光电探测器可以用于安全监控，例如在机场、银行等场所 的监控系统中，光电探测器可以检测到人员的活动和物体 的移动。
02
CATALOGUE
光电探测器的基本原理
光-电转换原理
光-电转换是光电探测器的基本工作原理，即通过接收光子，将光信号转换为电 信号。
光电探测器中的光敏元件（如光电二极管、雪崩光电二极管等）能够将入射光子 转化为电子-空穴对，这些载流子在外加电场的作用下定向移动，形成电信号输 出。
光电探测器的应用场景
光学通信
光电探测器可以将光信号转换为电信号，从而实现信息的 传输和处理。在光纤通信中，光电探测器是必不可少的器 件之一。
环境监测
光电探测器可以用于监测环境中的光辐射水平，从而对环 境进行评估和管理。例如，它可以用于监测大气污染和海 洋环境中的光辐射水平。
光谱分析
光电探测器可以用于检测物质的光谱特征，从而对物质进 行分析和鉴别。在环境监测和化学分析中，光电探测器也 有广泛的应用。
光电探测器在医疗诊断中的应用
内窥镜
内窥镜结合光电探测器可以实时检测人体内部病变，提高医疗诊断的准确性和 效率。
医学影像
光电探测器在医学影像技术中也有广泛应用，如X光、CT等设备的图像采集和 处理系统中都离不开光电探测器的支持。
光电探测器技术及其应用
光电探测器技术及其应用在现代科技高速发展的今天，探测器技术作为其中重要的一员，被广泛应用于各个领域。
其中，光电探测器技术不仅在军事、通信、医疗等领域有着广泛应用，还在制药、化工、环保等领域具有不可替代的作用。
本文将围绕光电探测器技术进行探讨，分析其应用前景以及在各个领域中的具体应用情况。
一、光电探测器技术的概述光电探测器技术是指利用光电转换效应将光辐射转化为电信号的一种技术。
其主要由光探头、前置放大器、信号处理器以及输出界面等组成。
光探头主要负责将光辐射转化为电信号，前置放大器则对电信号进行放大处理，信号处理器负责对处理后的信号进行数字化处理，并将其传送至输出界面。
光电探测器技术的发展历程可追溯至20世纪初期。
随着电子技术、信息技术以及光学技术的快速发展，光电探测器技术得到了迅猛的发展。
经历了多年的改进和完善，目前的光电探测器技术已经趋于成熟，具有高速、高精度、高可靠性等优良特性，已经成为现代科技中不可或缺的一部分。
二、光电探测器技术的应用前景随着技术的发展和需求的增长，光电探测器技术在未来的发展前景非常广阔。
以通信领域为例，光纤通信已经成为现代通信的主流方式，光电探测器作为核心光电部件在光纤通信中扮演着极其重要的角色。
随着宽带光网络的兴起，光电探测器技术需求将进一步得到增长。
除此之外，光电探测器技术还具有广泛的应用前景。
例如，在医疗领域中，它可以用于光动力治疗等方面，帮助医生更加精准地完成治疗工作；在军事领域中，它可以用于导航、侦查、预警以及无人机等领域；在环保方面，光电探测器技术可以帮助监测环境中的污染物，从而保护环境。
可见，光电探测器技术具有广泛的应用前景和市场需求，预计其在未来的发展中将持续保持高速的增长态势。
三、光电探测器技术在通信领域中的应用在通信领域中，光电探测器技术的应用相对较多。
其主要是利用光电探测器的高速、高精度等特性，完成光信号转化为电信号的工作。
以光纤通信为例，光电探测器的作用是将经过光纤传输的光信号转化为可用的电信号。
光电探测器工作原理与性能分析
光电探测器工作原理与性能分析光电探测器是一种能够将光电信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电通讯、光学测量、光学成像等领域。
在本文中，将对光电探测器的工作原理与性能进行分析。
一、光电探测器的工作原理光电探测器工作的基本原理是利用光电效应将光能转换为电子能，再经过电子放大及处理，将光信号转换为电信号输出。
光电探测器主要包括光敏元件、前置放大电路、信号处理电路等部分。
常见的光敏元件主要包括光电二极管、光电倍增管、光电导、光电导二极管、PIN光电二极管等。
其中，光电二极管是最常用的一种，它基于外光在PN结上产生电压的原理，将光能转换为电能。
PIN光电二极管又是一种与之类似的器件，但它的灵敏度更高，特别适用于高速、低噪音、低光水平的应用。
前置放大电路则是提高探测器灵敏度的重要部分。
它通常包括高阻抗输入级、宽带放大电路、低噪声电路等。
这些器件通常采用集成电路技术实现，具有高增益、高带宽、低噪声等优点。
信号处理电路主要包括滤波电路、放大电路、比较器、微处理器等部分。
滤波电路可以去除噪声干扰，放大电路可以放大信号的幅度，比较器可以将信号转换为数字信号，微处理器则可以对数字信号进行处理及控制。
二、光电探测器的性能分析光电探测器的性能参数包括灵敏度、响应时间、线性度、噪声等。
下面将对这些性能进行分析。
1. 灵敏度灵敏度是指探测器对光的灵敏程度，它通常通过量子效率来评估。
量子效率是指进入探测器的光子转化为电的比例。
由于光电探测器的灵敏度会受到光强度、工作温度、探测器结构等多种因素的影响，因此在实际应用中需要合理设计光路及保持探测器稳定性。
2. 响应时间响应时间是指光电探测器从接收光信号到输出电信号的时间。
响应时间由前置放大电路和光敏元件上升时间之和决定，因此我们可以通过优化这些器件来提高响应时间。
在高速应用中，响应时间非常关键，因此需要选用响应时间较短的光学元件及前置放大电路。
3. 线性度线性度是指光电探测器输出与输入之间的线性关系。
光电探测器概况课件
噪声干扰
灵敏度
光电探测器在工作中容易受到环境噪 声的干扰，如热噪声、散粒噪声等， 这些噪声会影响探测器的性能和精度 。
光电探测器的灵敏度也是一大挑战， 尤其是在低光强度或弱光信号的探测 中，需要提高探测器的灵敏度和信噪 比。
响应速度
光电探测器的响应速度是另一个挑战 ，尤其在高速或瞬态光信号的探测中 ，需要提高探测器的响应速度和带宽 。
光电探测器技术的起源
19世纪末
物理学家发现光电效应，为光电 探测器技术奠定理论基础。
20世纪初
科学家开始研究光电材料，探索 光电转换原理。
光电探测器技术的发展阶段
20世纪中叶
半导体材料的发展推动了光电探测器 技术的进步，硅基光电探测器逐渐成 为主流。
20世纪末至今
新型光电材料和器件不断涌现，光电 探测器技术应用领域不断拓展。
光电探测器可以检测空气中的污染物，如烟雾、灰尘等。
光电探测器在医疗领域的应用
医学影像
光电探测器用于医学影像设备，如CT、 MRI等，将X射线或磁共振信号转换为图像 。
激光治疗
在激光治疗中，光电探测器用于检测激光光 束的强度和位置，确保治疗的准确性和安全
性。
06
光电探测器的挑战与 展望
光电探测器面临的主要挑战
• 噪声等效功率：描述光电探测器在特定信噪比下所能探测到的 最小光功率。它反映了探测器在低光功率条件下的探测能力， 是衡量光电探测器性能的重要指标。
探测率与探测极限
探测率
描述光电探测器在单位时间、单位面积内探测到的光子数。它是衡量光电探测器探测能力的关键参数 。
探测极限
指光电探测器在特定噪声等效功率下的最小可探测光功率。它反映了探测器在高信噪比下的探测能力 。
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多子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓 度，称为多数载流子，简称多子。
少子：空穴为少数载流子，简称少子。 施主原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。
结论：
N型半导体的导电特性：是靠自由电子导电，掺入
的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电 性能也就越强。
P型半导体
♠ P型半导体：在纯净的4价本征半导体（如硅晶体）中混
一个被电子完全充满的价带和一个完全没有电子的
价导带带：，晶二体者中之原间子是的禁内 带。这是半导体是一个不导电
层 电电子的子所绝能填缘级满体相，对这。应种的能能 带带称被为
导带
价带♣；但是本征半导体的禁带宽度Eg较小，在热运动活
子 导填带导其带满；带它，或：外这者价界时是带空激导以的发带上能的有未带作了被称用电电为下子，，价价E带带g 的有电了子空激穴发，费跃使米迁本能级至征E禁导半F带
PN结的能带结构
♠ P型半导体杂质浓度越高，费米能级越低，N型半导
体杂质浓度越高，费米能级越高。
能隙
N区 结区 P区
导带
EF 价带
PN结的形成
当Ｐ型半导体和Ｎ型半导体结合在一起时，由于交界 面处存在载流子浓度的差异，电子和空穴都要从浓度高的 地方向浓度低的地方扩散。
电子和空穴都是带电的，它们扩散的结果就使Ｐ区和 Ｎ区中原来的电中性条件破坏了。Ｐ区一侧因失去空穴而 留下不能移动的负离子，Ｎ区一侧因失去电子而留下不能 移动的正离子。这些不能移动的带电粒子通常称为空间电 荷，它们集中在Ｐ区和Ｎ区交界面附近形成了一个很薄的 空间电荷区，即PN的结。 这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了， 或者说消耗殆尽了，因此，空间电荷区又称为耗尽层。
➢有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但
电子光仍留电在探物测体器内件部的，工使物作体原的理导是电基性于增加光，电这效种应现，
象称而为热内探光测电效器应需。要经过加热物体的中间过程， 因此，前者反应速度快。
半导体的能带结构
♠ 半导体的特点：由于原子间的相互作用而使能级分
裂♣，离纯散净的（能本级征形）成半能导带体。在分绝为对零价带度、的理导想带状和态禁下带有。
禁导带体：形导成带导和电价特带性之。间 电子和空穴都是电流的载流者
的能，隙统称称为为禁带“。载导流带子底”和
价带
价带顶的能级间隙就是禁带
宽度Eg 。
半导体类型 ♠ 半导体可分为本征半导体.P型半导体.N型半导体。 ♠ 本征半导体：硅和锗都是半导体，而纯硅和锗晶体
称本征半导体。硅和锗为4价元素，其晶体结构稳定。
杂质半导体的形成：通过扩散工艺，在本征半导体 中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），
使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。
♠ N型半导体：由于杂质原子的最
外层有5个价电子，所以除了与周 围硅原子形成共价键外，还多出一 个电子。在常温下，由于热激发， 就可使它们成为自由电子，显负电 性。这N是从“Negative（负）” 中取的第一个字母。
概述
光信号
光电探测器
放大和处理
用户终端
光接收系统组成
♣ 光辐射探测系统由信息源、传输介质和接收
系统组成。接收光学系统把信息源光辐射和背景 及其它杂散光经传输介质一起会聚在光探测器上。
♣ 光辐射所携带的信息，如：光谱能量分布、辐
射通量、光强分布、温度分布等由光探测器转变成 电信号测量出来，经电子线路处理后，可供分析、 记录、存储或直接显示，从而识别被测目标。
入了3价原子，譬如极小量（一千万之一）的硼合成晶体， 使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。
空穴的产生：由于杂质原子的
最外层有3个价电子，当它们与周 围的硅原子形成共价键时，就产生 了一个“空位”（空位电中性）， 当硅原子外层电子由于热运动填补 此空位时，杂质原子成为不可移动 的负离子，同时，在硅原子的共价 键中产生一个空穴 ，由于少一电 子，所以带正电。P型取“Positve （正）”一词的第一个字母。
♣ 按工作转换机理分：光子（光电）、热探测器
➢光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物
质在一定频率的光的照射下，释放出光电子的现象。 当光照射金属、金属氧化物或半导体材料的表面时， 会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够 大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而逸出材料 表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发 射，又称为外光电效应。
➢ 多子：P型半导体中，多子为空穴。 ➢ 少子：为电子。 ➢ 受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。
结论：
1、多子的浓度决定于杂质浓度。原因：掺入的杂质 使多子的数目大大增加，使多子与少子复合的机会大 大增多。因此，对于杂质半导体，多子的浓度愈高， 少子的浓度就愈低。
2、少子的浓度决定于温度。原因：少子是本征激发 形成的，与温度有关。
➢ 近年来的发展方向：
阵列光电探测器、
光电探测器集成化 电荷耦合器件（CCD, charged coupled device）
热电偶温度计
热释电探测器
光电二极管、三极管
光电池
光电二极管阵列 Si /PIN光电二极管
热电阻、热电偶
热敏电阻
热释电探测器
耦合式GaAs/AlGaAs 多量子阱红外探测器结构
♣ 因此，光探测器是实现光电转换的关键部件，它
的性能好坏对整个光辐射探测的质量起着至关重要 的作用。
§2-1 发展简况与分类
2.1.1 发展简况
➢ 1826----热电偶探测器 1880----金属薄膜测辐射计 1946----热敏电阻
➢ 五十年代----热释电探测器 六十年代----三元合金光探测器（HgCdTe） 七十年代----光子牵引探测器 八十年代----量子阱探测器
(CCD) Charged coupled device
2.1.2 光辐射探测器分类
光辐射探测器件是利用各种光电效应，或光热效应使
入射光辐射强度转换成电学信息或电能的仪器。
♣ 按用途分：成像、非成像探测器； ♣ 按光谱响应分：紫外光、可见光、近红外、
中红外、远红外探测器；
♣ 按结构分：单元、多元、阵列光探测器；
Ｐ区一侧呈现负电荷，Ｎ区一侧呈现正电荷，因此空间电荷 区出现了方向由Ｎ区指向Ｐ区的电场，由于这个电场是载流子扩 散运动形成的，而不是外加电压形成的，故称为内电场。它对多 数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。