光電傳感器是用于探測(cè)電磁波的電子器件，按照探測(cè)波段可分為X射線赎线、紫外廷没、可見(jiàn)光、紅外光電探測(cè)器垂寥。其核心原件-光電傳感器可把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)颠黎，是基于光伏(光電)效應(yīng)。
光電二極管和單點(diǎn)式光電傳感器
1. 光電傳感器
光電傳感器是用于探測(cè)電磁波的電子器件滞项，按照探測(cè)波段可分為X射線狭归、紫外、可見(jiàn)光文判、紅外光電探測(cè)器过椎。其核心原件-光電傳感器可把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，是基于光伏(光電)效應(yīng)戏仓，其基本機(jī)理如下所述疚宇。
光子通過(guò)光電光感器后可轉(zhuǎn)化為電子，并以電流形式輸出柜去，當(dāng)光子被半導(dǎo)體材料吸收時(shí)灰嫉，半導(dǎo)體材料的電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，然后由電路讀出嗓奢，作為輸出信號(hào)。
有三種過(guò)程可從材料中激發(fā)出電子：光伏效應(yīng)浑厚，光電導(dǎo)效應(yīng)股耽，光電發(fā)射效應(yīng)。能夠發(fā)生光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體傳感器钳幅，應(yīng)該由P型區(qū)和N型區(qū)組成物蝙，并且兩區(qū)相互拼接形成P-N結(jié)，如圖1(a)所示敢艰。電子吸收光子后诬乞，激發(fā)到導(dǎo)帶上，但在價(jià)帶上留下空穴钠导，形成了電子-空穴對(duì)震嫉。電子在材料內(nèi)部想著P-N姐方向擴(kuò)散/漂移，Z后到達(dá)N型區(qū)牡属，這樣在N型區(qū)和P型區(qū)之間形成電勢(shì)差票堵，即形成了內(nèi)建電場(chǎng)，如圖1(b)所示逮栅。另一方面悴势，空穴由于帶正電荷窗宇，到達(dá)P型區(qū)。Z終輸出電流至電路中特纤。這種光電傳感器成為光電二極管(photodiode军俊，PD)。
圖1： 基于光伏效應(yīng)的光電二極管(PD)結(jié)構(gòu)及工作原理圖
(a) 基于光伏效應(yīng)的PD結(jié)構(gòu)捧存；
(b) 對(duì)入射光子響應(yīng)粪躬，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，并接受P-N結(jié)的電勢(shì)差作用而分開(kāi)矗蕊，輸出電流短蜕。
根據(jù)其工作原理，光電二極管能夠探測(cè)到能量高于其材料禁帶能力的光子傻咖，此處禁帶寬度是指導(dǎo)帶和價(jià)帶之間形成的電勢(shì)差朋魔。光子能量 E (單位為 J 或者 eV )可由如下的公式表示：
式中，h為普朗克常數(shù)卿操，c為光速警检，e為電子電荷量，
為探測(cè)光的波長(zhǎng)害淤。
對(duì)現(xiàn)在光電二極管中廣泛使用的是硅材料扇雕，由于硅的禁帶寬度為1.1eV，所以波長(zhǎng)小于1100nm的光子才能其被探測(cè)到窥摄。而InGaAs(銦鎵砷)或InSb(銻化銦)由于由更小的禁帶寬度镶奉，可用于近紅外區(qū)域或者更長(zhǎng)波長(zhǎng)光的探測(cè)。
對(duì)于紅外區(qū)域的不同波段的光電傳感器崭放，通常由評(píng)價(jià)指標(biāo)
來(lái)對(duì)比不同類型傳感器的靈敏度哨苛，
表明了在交流信號(hào)下，單位入射光功率所獲得的信噪比大小的靈敏度币砂，如下式所示：
式中建峭，
為輸出電流帶寬；P為輸入光的功率密度(單位為
)决摧；A為有效面積亿蒸。
圖2中展示了幾材料的光電而激光/光電導(dǎo)體的
值。其中碲鎘汞(MCT)探測(cè)器的光譜響應(yīng)與它的組成成分相關(guān)掌桩。其中熱電堆傳感器的
值是由傳感器把光子能量轉(zhuǎn)換成熱能边锁，通過(guò)輸出電流的變化映射溫度的變化來(lái)測(cè)量的。
圖2：不同化合物材料的光電二極管和光電導(dǎo)體的
2. 單點(diǎn)式傳感器
根據(jù)光電傳感器的應(yīng)用類型分類的話拘鞋，其中單點(diǎn)式傳感器是應(yīng)用于對(duì)入射光位置和分辨率沒(méi)有要求的情況砚蓬。對(duì)于高亮度光探測(cè)，使用較普遍的光電傳感器式硅光電二極管盆色，探測(cè)光波長(zhǎng)范圍為200~1100nm灰蛙，由于硅材料成熟的制備技術(shù)祟剔，在可見(jiàn)光區(qū)域它的量子效率高達(dá)70%，有效面積能達(dá)到
摩梧；有效面積越小物延，暗電流越小，響應(yīng)速度越快仅父；光電二極管的下降時(shí)間(響應(yīng)時(shí)間) 
與其探測(cè)帶寬 
關(guān)系如下：
式中C和R分別為讀出電路的阻抗和光電二極管的結(jié)電容叛薯，其中：
式中的
和
分別為真空介電常數(shù)( 固定為 
)和相對(duì)介電常數(shù)；A為光電二極管的有效面積笙纤；d為PN結(jié)的耗盡層厚度耗溜。其中A越小，則
越小(即響應(yīng)速度越快)省容；其次還可以通過(guò)縮短耗盡曾厚度來(lái)是響應(yīng)速度加快抖拴。
相關(guān)文獻(xiàn)：
[1].Toru.Y.(2015) “光學(xué)計(jì)量手冊(cè)”,[M]:67-71
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