光電探測器的類型和原理

光電探測器作為人類感知和獲取光波信息的重要工具，可將光信號轉化為可被解析的電信號，從而實現對其信息的感知。光電探測技術已在通訊、傳感、影像、無人駕駛、人工智慧、大數據等涉及人類生活的眾多領域被廣泛應用。因此，與光電探測技術相關的材料、物理及器件研究一直是相關領域學者關注的研究熱點，以下是一些常見的光電探測器類型及其原理。

（1）光電導型光電探測器

某些半導體在光照條件發生本徵吸收或雜質吸收，吸收光子能量後電導率發生改變，這種物理現象叫做光電導效應。

光電導器件在光照條件下，產生的光生載流子使得器件的電導率升高，電阻變小。室溫激發的載流子在電場的作用下發生定向移動，從而產生電流，在光照條件下電子受到激發，發生躍遷，同時也會在電場的作用下漂移形成了光電流。產生的光生載流子使得器件的電導率升高，從而電阻變小。光電導型的光電探測器在性能上通常會表現出高增益，響應度很大，但無法響應高頻的光信號，因而響應速度較慢，在某些方面限制了光電導型器件的應用。

（2）PN結型光電探測器

PN結是P型半導體材料與N型半導體材料接觸形成的，形成接觸之前兩種材料是處於分離狀態，P型半導體中的費米能級的位置靠近價帶邊緣，N型半導體中費米能級靠近導帶邊緣，當兩種類型的材料接觸形成PN結時，位於價帶邊緣P型材料的費米能級將會不斷上移，與此同時，位於導帶邊緣 N 型材料的費米能級不斷下移，直到兩種材料的費米能級在同一位置為止。導帶和價帶位置的變化，也同時伴隨著能帶的彎曲。此時PN結處於平衡狀態，且有統一的費米能級。從載流子的方面分析，P型材料中多數載流子為空穴，N 型材料中多數載流子是電子，當兩種材料接觸時，由於載流子濃度差，N型材料中的電子會向P型中擴散，而N型材料的電子向著與空穴相反的方向擴散，電子和空穴擴散之後留下未被補償的區域則形成一個內建電場，而內建電場又會趨勢載流子漂移，漂移的方向與擴散的方向剛好相反，意味著內建電場的形成阻止了載流子的擴散，PN結內部同時存在著擴散和漂移，直至兩種運動平衡為止，使靜載流子流為零，內部達到動態平衡。

當PN結受到光輻射之後，光子的能量傳遞給載流子，產生光生載流子即光生電子-空穴對，在電場的作用下，電子和空穴分別向N區和 P區漂移，光生載流子的定向漂移現象產生光電流。這也就是PN結光電探測器的基本原理。

（3）PIN結型光電探測器

PIN 結光電二極體是在P型材料和N型材料之間加入I層，I層的材料一般是本徵或低摻雜的材料。其工作機理與PN結類似，當PIN結受到光輻射後，光子將能量傳遞給電子，產生光生載流子，而內建電場或外部的電場會將耗盡層的光生電子-空穴對分開，發生漂移的載流子在外部電路形成電流。

I層在其中起到的作用就是擴大了耗盡層的寬度，在很大的偏壓下I 層會完全變為耗盡層，所產生的電子-空穴對會被迅速分離，因此 PIN結型光電探測器的響應速度一般要快於 PN 結型探測器。I層之外的載流子也會通過擴散運動的方式被耗盡層收集，形成擴散電流。I層的厚度一般很薄，其目也是為了提高探測器的響應速度。

（4）APD雪崩光電二極體

雪崩光電二極體的工作機理與PN結類似。APD利用重摻雜的PN 結，基於APD探測的工作電壓較大，當加較大的反向偏壓時APD 內部會發生碰撞電離和雪崩倍增，探測器的性能表現是光電流增大。當APD處於反向偏壓模式時，在耗盡層的電場會很強，光照產生的光生載流子會被迅速分離，並在電場作用下快速漂移。在此過程中電子有概率會撞到晶格，導致晶格中的電子被電離。該過程不斷被重複，晶格中被電離的離子也會碰撞晶格，致使APD中載流子的數量不斷增加，從而產生很大的電流。正是 APD內部這種獨特的物理機制，基於APD的探測器一般具有響應速度快，電流值增益大以及靈敏度高等特點。相比於PN結和PIN結，APD有更快的響應速度，是目前的光敏管當中響應速度最快的。

（5）肖特基結型光電探測器

肖特基結型光電探測器的基本結構是一個肖特基二極體，其電學特性與前面所述的PN結類似，具有正嚮導通、反向截止的單向導電性。當功函數高的金屬和功函數低的半導體形成接觸時，就形成會形成肖特基勢壘，形成的結就是肖特基結。主要的機理和PN結有些類似，以N型半導體為例，當兩種材料形成接觸時，由於兩個材料電子濃度不同，半導體內的電子會向金屬一側擴散。擴散的電子在金屬一端不斷累積，從而破壞了金屬原本的電中性，在接觸面形成從半導體指向金屬的內建電場，電子在內電場的作用下會發生漂移，載流子的擴散運動和漂移運動同時進行，經過一段時間達到動態平衡，最終形成肖特基結。在光照條件下，勢壘區直接吸收光並產生電子-空穴對，而PN結內部的光生載流子需穿過擴散區才能到達結區。相比於PN結，基於肖特基結光電探測器有更快的響應速度，響應速度甚至可達到ns級別。

下面這一部分是另一種更加全面的分類方式，半導體為鈣鈦礦。

光電導型探測器

光電導型探測器的工作原理基於光電導效應，在半導體材料兩端加上叉指或條狀電極構成光敏電阻，通常具有共面結構。半導體材料吸收入射光子的能量產生本徵吸收或雜質吸收，形成非平衡載流子，而載流子濃度增大使材料電導率增大，當光敏電阻的兩端加上適當的偏置電壓，便有電流流過迴路。光電導型器件光電流大小正比於器件有效光照面積，從而正比於電極間距。但是為了高效地收集載流子，電極間距應小於載流子傳輸距離，即使得光生載流子渡越時間小於光生載流子壽命。光生載流子壽命與渡越時間之比被定義為光電導增益因子，對於載流子遷移率大的半導體材料，當電極間距很小時，增益可以遠超過100％。光電導型鈣鈦礦光電探測器較之其他兩種常見類型，製作步驟最為簡單。

光伏型探測器

光伏型探測器又稱為結型光電探測器，最簡單的器件由一個透明頂電極、一層鈣鈦礦及一個不透明的底金屬電極構成。光伏效應可以發生在半導體和半導體形成的異質結，也可以產生於金屬和半導體形成的肖特基結處。結區存在內建電場，光照射到結區後能量大的光子能夠產生載流子，在內建電場或外加偏壓作用下產生光電流。半導體和半導體形成的異質結形式多樣，包含了ｐ-ｎ結、ｐ-ｉ-ｎ結、體異質結等不同類型。光伏型探測器通常具有垂直型結構，並且會引入緩衝層或阻擋層以改善載流子傳輸或電荷阻擋特性，進一步提高探測器綜合性能。

對於共面型金屬／半導體／金屬（MSM）器件，當金屬與半導體接觸勢壘為肖特基接觸時，實際上是兩個背靠背的結型探測器串聯 在一起。對 於MSM器 件，當半導體不吸光時，光電探測是基於金屬吸光產生的光伏效應；當入射光波長位於半導體材料吸收的波段內時，由半導體吸光產生光電導效應明顯強於金屬吸光產生的光伏效應，故光電導效應在探測中起決定性作用。與光電導型器件相比，光伏型器件可以工作在低偏壓（包含零偏壓）下，響應速度快。通常為了改善器件性能，還會在頂／底電極與鈣鈦礦層之間引入界面修飾層。

電晶體型光電探測器

光電導型探測器由於存在增益，量子效率可遠超過100％，相應的響應率也非常大，但是它們的暗電流偏大，在一定程度上限制了它們的應用。至於光伏型探測器，可以通過引入載流子阻擋機制將暗電流降得很低，大部分光伏型探測器具有垂直型結構，它們的載流子傳輸距離由半導體的膜厚決定，最小可以達到納米尺度，相應地，載流子渡越時間非常短，器件響應速度被大幅度加快。只是，它們依賴於光伏效應，量子效率較光電導型偏低，通常低於100％，因而響應率較低。

電晶體型光電探測器結合了光電導型探測器與光伏型探測器的優勢，既能夠實現較低的暗電流，也可以在不犧牲響應速度的前提下獲得非常高的量子效率及響應率。簡言之，和兩端器件相比，電晶體型三端器件可以通過減少噪聲和放大信號兩個方面來保證光電探測器的優良性能。對於場效應電晶體型光電探測器，在柵極與半導體層之間有一層薄的絕緣層，通過柵極所施加電壓的大小來調節電荷在半導體中的傳輸特性。它們既可以工作在積累模式（ｐ型），也可以工作在相反模式下（ｎ型）。積累模式的工作原理具體如下。當柵極加正向偏壓時，會在源極和漏極之間感應形成一條電子的導電通道，導電溝道中的電子來源於半導體區域，這樣與光電導型器件相比，暗態下參與導電的載流子數減少，因而其暗電流得以降低。光照射到半導體區域後產生的電子同樣會在導電溝道中積累，而只有光生空穴被束縛在半導體區域。從而降低了光生電子空穴對的複合，大大延長了載流子的壽命，最終使得器件的響應率優於光電導型器件。

光電倍增型探測器

不同於光電導型探測器能夠實現高的光電增益，具有垂直結構的光伏型探測器，其量子效率通常小於100％，相應的響應率也偏低。光電倍增型探測器與光伏型探測器結構類似，同樣具有垂直形式，但是卻可以實現高的光電增益，帶來響應率的大幅度改善。針對有機光電倍增型探測器的研究已經較為廣泛，其基本原理為陷阱輔助的載流子隧穿行為。近年來，人們發現在鈣鈦礦光電探測器中同樣也可以實現光電倍增效應，並且相比於同類型有機器件而言，它們所需施加的偏壓較低，響應速度更快。

2 光電探測器的基本參數

響應度

Ilight：光照之後探測器的光電流

Idark：黑暗條件下的暗電流

Pλ：入射光功率

EQE：外量子效率

h：普朗克常數

λ：入射光波長

c：光速

G:探測器內部的增益

外量子效率

h：入射光子能量

e：單電子電荷

增益

τ1：空穴壽命

τt：電子載流子輸運時間

d2：器件厚度

μ：載流子遷移率

V：偏壓

比探測率

Δf：帶寬

A：器件的工作面積

NEP：等效噪聲功率

當整個探測器的噪聲主要來源為暗電流噪聲時，可以簡化如下：

瞬態響應時間

探測器輸出的電流從最大值的10%上升到最大值的90%：上升時間

探測器輸出的電流從最大值的90%下降到最大值的10%：下降時間

線性動態範圍

分子：光電流密度

分母：暗電流密度

帶寬

當入射光信號的頻率逐漸增大時，探測器輸出的電信號會逐漸變形最後失真，一般定義輸出信號衰減到最大值的1/（√2）時，認為信號失真，此時入射光信號的頻率稱為截止頻率 fH，即為帶寬。