光电探测器范文精选

摘要:Photoconductive detector 利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。随着电子科学技术的日趋成熟,光电探测器的应用将更加广泛。本文阐述了光电探测器的发展、工作原理、结构、种类及应用。

关键词:光电探测器 光电导效应 光电导器件

光电探测器是一种利用半导体材料的光电导效应制成的能够将光辐射转换成电量的器件,它利用这个特性可以进行显示及控制的功能。光探测器可以代替人眼,由于具有光谱响应范围宽的特点,光探测器亦是人眼的一个延伸。光电探测器利用被照射材料由于辐射关系电导率发生改变的物理特点,在红外波段中的应用主要在红外热成像、导弹制造及红外遥感等一些方面;在可见光或近红外波段中的应用主要在在工业自动控制、光度计量及射线测量和探测等方面。随着电子科学技术的日趋成熟,光电探测器的应用将更加广泛。

1、光电探测器的发展

1873年,英国W.史密斯发现硒的光电导效应,但是这种效应长期处于探索研究阶段,未获实际应用。第二次世界大战以后,随着半导体的发展,各种新的光电导材料不断出现。在可见光波段方面,到50年代中期,性能良好的硫化镉、硒化镉光敏电阻和红外波段的硫化铅光电探测器都已投入使用。60年代初,中远红外波段灵敏的Ge、Si掺杂光电导探测器研制成功,典型的例子是工作在3～5微米和8～14微米波段的Ge:Au(锗掺金)和Ge:Hg光电导探测器。60年代末以后,HgCdTe、PbSnTe等可变禁带宽度的三元系材料的研究取得进展。

在60年代初以前还没有研制出适用的窄禁带宽度的半导体材料,因而人们利用非本征光电导效应。Ge、Si等材料的禁带中存在各种深度的杂质能级,照射的光子能量只要等于或大于杂质能级的离化能,就能够产生光生自由电子或自由空穴。非本征光电导体的响应长波限λ由下式求得λc=1.24/Ei式中Ei代表杂质能级的离化能。

到60年代中后期,Hg1-xCdxTe、PbxSn1-xTe、PbxSn1-xSe等三元系半导体材料研制成功,并进入实用阶段。它们的禁带宽度随组分x值而改变,例如x=0.2的HG0.8Cd0.2Te材料,可以制成响应波长为 8～14微米大气窗口的红外探测器。

2、光电探测器的工作原理

【摘 要】介绍一种以PIN光电二极管为光电转换器件的探测器的电路工作原理，对光电二极管的结构及参数进行分析，详细分析探测器接收电路的组成和设计要点。该电路可用于光纤测量仪器仪表中光电转换前端接收放大装置。

【关键词】光电探测器 光电转换 放大电路 PIN

1引言

随着光纤通信的快速发展，光纤测试设备（光功率计，光时域反射仪，光纤故障诊断仪，光衰减器等）的需求也在逐渐增长[1]。这些仪器设备是光纤通信系统在日常维护中是必不可少的。这些仪器设备内部都需要用到光电探测器电路，光电探测器及其设计优良的检测电路对于测量仪器性能来说尤为重要。

2光电探测器的应用分析

光电感应器件又称光电探测器。光探测器就是把光脉冲信号转换成为电信号。光探测器通过感受入射于其上的功率变化，并把这种光脉冲功率的变化转换成为相应变化的电流信号[2]。目前常用的半导体光探测器主要有具有本征层的光电二极管（PIN）、雪崩光电二极管（APD）、光电晶体管等，其中前两种应用最为广泛。其中PIN光电二极管是在P-N结光电二极管的基础上，为了得到高速响应，通过减小二极管的PN结电容，并在大量掺入杂质的P型和N型硅片层之间插入高阻抗的本征半导体材料层，从而提高了灵敏度和响应速度，其性能指标均超过P-N结光电二极管，得到了广泛使用；雪崩光电二极管APD，在同样负载条件下，具有高灵敏度，虽然具有内增益可大大降低对前置放大器的要求，但却需要上百伏的工作电压；另外，其性能与入射光功率有关，通常当入射光功率在1nW至几W时，倍增电流与入射光具有较好的线性关系，但当入射光功率过大，倍增系数M反而会降低，从而引起光电流的畸变。测量表明，只有当入射光功率小于10-5W时，光电流二次畸变才小于-60dB。并且，其特性随环境温度的变化而变化。因此，PIN光电二极管可作为光功率和光纤故障诊断仪的光电转换器。

3光电探测器的选择

目前在光通信上被广泛采用光波长为1310nm与1550nm，InGaAs型的PIN光电二极管更适合于此类波长。以武汉昱升光器件有限公司的YSPD728-G6型号光电二极管为例。该二极管是具有波长范围800-1700nm ，FC/ST/SC三种适配器可更换，响应度大于0.85A/W等特点的插拔式同轴探测器，具有响应度高、暗电流小、线性度高、稳定度高、FC/ST/SC三种适配器可更换等特点，这些特点在设计光功率计及光纤故障检测仪中带来很大的方便。

摘要：光电探测器是光电系统的核心组成部分，其性能直接影响着光电系统的性能。该文通过用探测器的脉冲响应特性测量响应时间，利用探测器的幅频特性确定其响应时间。该文分析了光电探测器的响应度不仅与信号光的波长有关，而且与信号光的调制频率有关，在提出测量探测器响应时间的方法的同时分析了误差的产生原因和解决办法。

关键词：光电探测器?响应时间?示波器

中图分类号：T 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（b）-000-01

光电系统就是以光波作为信息和能量的载体而实现传感”传输”探测等功能的测量系统。可以认为光电系统是工作于电磁波波谱图上最后一个波段―光频段的电子系统，光电探测器的输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴的扩展。扩展的程序可由响应时间来描述。光电探测器的这种响应落后于作用信号的特性称为惰性。如果探测器观测的是随时间快速变化的物理量，则由于惰性的影响会造成输出严重畸变。因此，深入了解探测器的时间响应特性是十分必要的。

1 响应时间的测试

1.1 基本原理

表示时间响应特性的方法主要有两种，一种是脉冲响应特性法，另一种是幅频特性法。

脉冲响应：响应落后于作用信号的现象称为弛豫。

摘 要：文章利用高速光电二极管设计了一种紧凑型光电探测器，并且将这种光电探测其应用到短脉冲激光的激光脉冲形状和脉宽的诊断之中，准确的测量了短脉冲激光的脉冲形状和脉冲宽度。

关键词：高速光电二极管；光电探测器

引言

长寿命的半导体激光器和低损耗的石英光纤的成功研制以及相应技术的发展与成熟，促使了光纤通讯领域的诞生，并且取得了极其重要的成果。尤其近年来，数字光纤通信系统正朝着远距离、高速、超高速光纤传输和超大容量等方向发展，使得光通信系统对光发射和接收器的性能的要求越来越高。同时，因为光纤末端输出的光信号通常是微弱的，各种噪声的干扰直接影响有用信号的测量精度，这就要求光电探测器在所用的光源的发射波长范围内具有快的响应速度、高相应度和小的附加噪声且能处理所需要的数据的足够的带宽。相对于传统的光电探测器，高速光电二极管探测器由于在响应速度和灵敏度特性上的优势，使其完全符合在长距离高速数字通信系统中的探测之用[1]。本文正是基于高速光电二极管的上述优势，设计了一种紧凑型的光电探测器，并且将其应用于短脉冲激光器光脉冲的探测和诊断领域，取得了比较理想的结果。

1 设计原理和产品

本文所设计的紧凑型光电探测器其核心部件是高速光电二极管。图1a所示的是光电探测器的电路原理图。其中高速光电二极管的工作模式包括两种，即光导模式和光伏模式，在本文的设计方案中，选择的是光导模式。处于光导模式时，当光照射在有效探测区域时就会产生光电流，经过负载转变为输出的电压信号。图1b所示的是基于上述原理设计的最终的紧凑型光电探测器的实物图片，具体特征和尺寸已经在图片中表示出来。

图1a 光电探测器原理图 图1b 紧凑型光电探测器实物图

2 应用及测试结果

摘 要：文章从从光电感烟探测器的原理出发，描述了光电感烟探测器的性能及影响探测器性能的一些关键要素，同时对探测器检验的标定方法给出了基本设计参考。为点型光电感烟探测器的大批量生产，提供了有效的技术保障。

关键词：光电感烟；探测器；标定

1 简介

点型光电感烟火灾探测器（以下简称感烟探测器）是利用红外线将烟尘浓度转换成相应的电信号，并通过CPU对电信号进行分析，计算出烟尘的浓度、持续时间和变化速率。从而判断是否有火灾发生。探测器在检测到有效的火灾信号后，会立即将报警信号传送至火灾报警控制器主机，使消防值班人员能够在第一时间对火灾或隐患进行排除。探测器不仅能响应快速升烟的火灾，还可以响应长达四小时的极慢速升烟的火灾。同时具备信号滤波功能，可以滤除短暂的外界影响，如灰尘、强光、电磁干扰等。

2 原理

光电感烟探测器由特殊设计的烟尘迷宫、红外发射管、红外接收管组成。检测时，由红外发射管发射红外光，当红外光照射到烟尘粒子上时，产生散射光。该散射光被红外接收二极管捕获，并转换成电信号。烟尘浓度越大，烟尘粒子散射的红外光越强，转换成的电信号也越强，当烟尘浓度及待续时间达到规定值时，探测器将发出火灾报警信号。

3 影响光电感烟探测器灵敏度的因素及原因分析

3.1 探测器结构

【摘要】对一种响应近红外的新型量子光电探测器特性进行测试和分析，给出了2×8探测器阵列和读出电路的对接测试结果，设计初步的成像系统采集显示焦平面输出。探测器有一个-0.8V的阈值电压，偏压大于阈值电压后器件响应率远大于1A/W，且响应率随光照功率增大减小。2×8探测器阵列与设计的读出电路通过Si基板对接后在77K条件测试，读出电路的线性度好于99.5%，信噪比达到67dB，探测器偏压为-1.5V，积分时间为200μs时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W，达到实际应用的要求。设计了数据采集卡和成像系统验证了对接样品的实用性。

【关键词】量子光电探测器；读出电路；噪声；信噪比；探测率

1.引言

目前工业、医疗、天文和军事对近红外探测和成像有大量需求[1-4]，本文介绍了一种响应近红外的新型高增益GaAs/InGaAs量子光电探测器。首先测试和讨论了探测器的I-V特性，探测器偏压为-1.5V时响应率大于10A/W，响应率随光照功率增大减小。针对探测器特性和探测器阵列规模设计了2×8元读出电路，探测器和读出电路对接后的样品工作在77K条件下。探测器偏压为-1.5V，积分时间为200μs时探测器率达到1.38×1010cmHz1/2/W，达到实际应用的要求。为验证探测器和读出电路及对接样品的实用性，最后设计了数据采集卡和成像系统，给出了测试结果。

2.探测器和读出电路

2.1 探测器

探测器的I-V特性可以为读出电路设计提供重要依据，为此在光电测试平台采用keithley 4200-SCS半导体特性测试仪测试探测器特性。探测器阵列为2×8元，单元探测器面积为80×80μm。测试过程中作为公共电极的衬底电位固定，扫描单元探测器一端的电压。

图1是器件的I-V特性，与QWIP器件不同，特性曲线明显非对称。探测器有一个-0.8V的阈值电压，探测器偏压大于-0.8V后响应电流迅速增大，在-0.8V～-3V区间相应电流随偏压变化缓慢。正向偏置时探测器响应电流相对较小。测试得77K，-1.5V时探测器暗电流小于10-13A，暗电流较小有利于降低噪声，提高探测率和信噪比。C-V特性测得探测器的电容约7.5pF。

摘要：本文主要从CPU选型、硬件电路、总线通讯接口、火灾报警算法和软件设计等方面较系统地介绍了光电感烟火灾探测器的设计过程，提出了一种新总线通信协议和火灾报警判据。

关键词：CPU；光电感烟；火灾探测器；硬件；软件

引言

为了避免火灾的发生，火灾自动报警及联动控制技术历经150多年的发展，已进入广泛应用阶段。如今，火灾探测器经历了开关量探测器、模拟量探测器和智能型探测器三个发展阶段。

本文将介绍一种智能型火灾探测器的设计过程。

光电感烟火灾探测器的硬件设计

本文中光电感烟火灾探测器硬件设计分为CPU选型、硬件电路和总线接口设计三个部分。

CPU选型

一、前言

近年来随着国民经济的快速发展，现代化的高层建筑愈来愈多，甚至发展到地下空间，随着这些的发展，人们对消防安全的意识也在不断的增强，对安装火灾自动报警系统也非常重视，但是很多单位往往忽视了系统投入运行后的维修保养工作。随着系统投入运行时间的增长，不可避免的出现设备及线路的老化，如不能及时的对光电感烟探测器进行维护及清理，一旦发生火灾，消防系统就不能正常运转，甚至会使整个消防系统瘫痪，这将会给使用消防系统的单位造成不可估量的损失，这个方面的教训已屡见不鲜了。因此消防系统的维护保养最重要的一点就是烟感探测器的保养。

二、 烟感探测器分类及光电感烟探测器的构造

烟感探测器的种类一般可以分为离子式烟感探测器、光电式烟感探测器、对射式烟感探测器、智能烟感探测器等等，现在一般场所见的多的就是光电感烟探测器。（我所在的城市一般场所光电感烟探测器较多，可能有行业、地区等差异。）

光电式烟感探测器是由光源、光电元件及电子开关组成，利用光散射原理对火灾初期产生的烟雾进行探测，并及时发出报警信号。

三、现实烟感探测器的维护保养情况

近年来，随着人们对消防意识的不断增强，消防系统的维护保养工作也越来越受到重视，许多单位请有资质的消防公司来做消防维护保养工作，而有的单位自己直接成立一个消防专业队伍来进行维护保养设备，其中烟感探测器的维护保养工作尤其重要，因为烟感探测器在火灾发生初期，能够及时将探测到的火灾信息转送到火灾报警的主机，使主机能够及时发出声光报警信号并联动有关的消防设施，把火灾及时扑灭于萌芽之中。这些探测器的维护保养工作，应由消防的专业人员按照消防规范的规定，坚持一年全部用烟枪测试一次和每个季度采取抽查形式进行测试，检查烟感探测器的报警功能，如果测试的烟感探测器出现不能报警或者是有延迟报警的探测器就进行更换。在测试烟感的时候应该注意以下几个方面：

1、 对测试过的烟感探测器做好地址记录，以免出现重复测试同一个点。（2010年在对本市某大楼的办公室检查时发现，烟感探测器已使用3年了，但办公室内探测器防尘罩未拆除。一般维保人员常测试过道及公共场所的烟感探测器，往往忽略了如机房、资料室等不经常开的房间。）

1、APD制冷方案设计

APD需要较低的温度来保证探测效率和抑制暗电流，暗电流主要是由APD内部热噪声、隧道贯穿和掺杂缺陷处的势阱引起的，暗电流会导致误计数，所以在探测器内部必须对APD进行制冷处理。在相同的响应率时，温度越低，所需偏置电压越小，暗电流和后脉冲也会减少。考虑系统的便携性及温度精度可调，采用Pelti-er半导体制冷片和热敏电阻来实现对APD的精确制冷。选用MAXIM公司的MAX1969作为半导体制冷片的驱动芯片，该芯片是具备高效率和高集成度的开关型驱动器，适用于Peltier热电制冷模块。使用ST公司STM8L单片机对热敏电阻的采样电压进行数字化处理，与设定温度进行比较和PID处理后，将控制信号输出到MAX1969。制冷模块框图如图2所示，经试验最低制冷温度达到－60℃，控温精度±0．1℃并能保持恒温。

2、直流偏置电压源

工作在盖革模式下的APD对偏置电压要求非常高，电压的微小变动会引起倍增因子的剧烈波动，并最终影响探测器的计数效率。APD对偏置电压源的要求是:噪声低、电流大、电压纹波稳定且足够小，设计的偏置电压源电路图3所示。采用LM2577芯片作为电源的可调升压转换器，该芯片内部噪声低、频率固定，具有过流、低压、温度保护功能。电源稳压器采用凌力尔特公司的高温线性稳压器件LT3012，低压差仅为360mV。设计的直流偏置电源1．24～80V连续可调，调节精度0．01V，电流达到500mA，纹波系数小于0．05%。

3、APD淬灭－重置电路

工作在盖革模式下的APD探测到入射光子后会发生雪崩效应，内部电流不断持续增大，必须降低偏置电压使其迅速淬灭，否则会击穿APD。淬灭发生后，将偏置电压迅速重置至盖革模式，以便响应下一个入射光子。淬灭－重置驱动信号可以由外部逻辑电路产生，但逻辑电路产生的门控频率较低。短门控方式可以产生高速门控信号，但需要外部的高频信号发生器、同轴线和微波器件，体积庞大，不易调试。本文利用FPGA产生的高频窄门控信号做为APD的淬灭－重置驱动电路，调试简单，小巧灵活。采用Xilinx公司Virtex6型号的FPGA产生200MHz的窄脉冲，通过电容耦合到APD的阴极，作为APD的驱动电路，如图4所示。

4、雪崩信号提取电路

雪崩现象发生后，雪崩电流通过采样电阻提取后，电压信号仍然十分微弱，必须经过高速放大器进行10倍的放大后，才能送入高速比较器比较鉴别出雪崩信号。由于APD本身的容性效应，在探测的同时会产生一个幅值远大于雪崩信号的尖峰噪声，所以需要采用边沿锁存的方式来提取有效信号送入FPGA进行计数。基于FPGA的驱动电路和信号提取电路如图4所示。

摘要：本文主要介绍了光敏探测器的基本原理以及利用该技术主要的两种器件，即光电二极管和雪崩二极管的工作原理和应用，并且介绍了器件的性能参数，再结合现在市场上的实际情况对现在光敏探测器的应用以及前景进行了分析。

关键词：光敏探测器；光电二极管；雪崩二极管

0 引言

在光电子系统中，最关键也是最重要的就是作为它的“眼睛”的部件，也就是光电探测器。它的优点是它非常灵敏，同时也具有人眼所不具有的对图像的记忆、储存、输出以及显示记录的功能，但是同时其缺点也非常明显，其一是由于自身原理的问题，它的光谱响应范围仅限于400nm到760nm，但是对于波长在该范围之外的紫外光和红外光一般不能响应；其二是由于“眼睛”的视觉暂留现象，对于高频信号不能清楚分辨。

光电探测器种类繁多，从原则上说只要在受到光照之后其物理性质变化的材料都可以用来制作光电探测器。现在最广泛使用的光电探测器是利用光电效应进行工作的，光电效应又分为内光电效应和外光电效应：常见的光电管和光电倍增管是利用外光电效应工作的，即是由入射光子打在阴极材料上将其内部电子轰击出来形成光电流，从而通过入射光强的改变进而检测光信号；一些典型的半导体光电器件则是利用内光电效应来实现的，其是通过将光电材料内部的电子从低能态激发到高能态，从而激发出一个电子空穴对，称为光生电子空穴对，通过检测出它对半导体光电材料导电性能的改变，就可以检测出光信号的改变[1]。

外光电效应和内光电效应的产生都是取决于入射光的波长λ和频率υ，即光子能量E只与频率υ有关，

式中h为普朗克常量。要能产生光电效应，每个光子的能量必须高于一定的数值，波长越短，即频率越高，则每个光子的能量也就越大，越容易产生光电效应。

目前广泛使用的光电探测器是光电二极管和雪崩光电二极管，它们都是由半导体材料制作而成的。内光电效应就发生在导带和价带之间，价带中的电子吸收了入射光子的能量后被激发到导带中，会在导带中产生一个能自由运动的电子并且在价带中产生一个空穴。空穴在价带中的能量高于在导带中的能量，在价带中也可以自由运动，所以当入射光子在半导体内激发产生光生电子空穴对的时候，就会改变半导体的导电性能[2]。