1引言
自年第一台红宝石激光器问世以来，古老的光学发生了革命性的变化与此同时，电子学也突飞猛进地向前发展。光学和电子学紧密联合形成了光电子学这一崭新的学科。由此发展起来的光电子高新技术，已深入到人们生活的各个领域，从光纤通信，镭射唱盘到海湾战争中的现代化武器，都和光电子技术密切相关。而光电探测器则是光电子系统中不可缺少的重要器件。可以毫不夸大地说，没有光电探测器件，就没有今天的光电子学系统。
1. 3光电探测器的物理基础
我们知道，要探知一个客观事物的存在及其特性，一般都是通过测量对探测者所引起的某种效应来完成的。在光电子技术领域，凡是能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件，就叫做光电探测器。从近代测量技术看，电量不仅最方便，而且最精确。所以，大多数光探测器都是把光辐射量转换成电量来实现对光辐射的探测的。即便直接转换量不是电量，通常也总是把非电量（如温度、体积等）再转换为电量来实施测量从这个意义上说，凡是把光辐射量转换为电量（电流或电压）的光探测器，都称为光电探测器。很自然，了解光辐射对光电探测器产生的物理效应是了解光探测器工作的基础。
光电探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应。在每一大类中，又可分为若干细目，如表1.3.1所列。
表1.3.1（a）光子效应分类
外光电效应 效应 （1）光阴极发射光电子 正电子亲和势光阴极 负电子亲和势光阴极 （2）光电子倍增 气体繁流倍增 打拿极倍增 内光电效应 相应的探测器 光电管 充气光电管 光电倍增普 通道电子倍增 像增强普 （1）光电导（本征和非本征） 光导管或光敏电阻 （2）光生伏特 PN结和PIN结（零偏） PN结和PIN结（反偏） 雪崩 肖特基势垒 异质结 （3）光电磁 光子牵引 表1.3.1（b）光热效应分类
效应 相应的探测器 热敏电阻测辐射热训 金属测辐射热计 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器 高莱盒，液晶等 光电池 光电二极普 雪崩光电二极普 肖特基势辛光电二极管 光电磁探测器 光子牵引探测器 （1）测辐射热计 负电阻温度系数 正电阻温度系数 超导 （2）温差电 （3）热释电 （4）其它 表1.1（a）光子效应分类
外光电效应 效应 （1）光阴极发射光电子 正电子亲和势光阴极 负电子亲和势光阴极 （2）光电子倍增 气体繁流倍增 打拿极倍增 通道电子倍增 内光电效应 相应的探测器 光电管 —— —— —— 充气光电管 光电倍增普 像增强普 （1）光电导（本征和非本征） 光导管或光敏电阻 （2）光生伏特 —— PN结和PIN结（零偏） 光电池 PN结和PIN结（反偏） 光电二极普 雪崩 肖特基势垒 异质结 （3）光电磁 光子牵引 雪崩光电二极普 肖特基势辛光电二极管 —— 光电磁探测器 光子牵引探测器
表1.1（b）光热效应分类
效应 （1）测辐射热计 负电阻温度系数 正电阻温度系数 超导 （2）温差电 （3）热释电 （4）其它 1. 3. 1光子效应和光热效应
相应的探测器 热敏电阻测辐射热训 金属测辐射热计 超导远红外探测器 热电偶、热电堆 热释电探测器 高莱盒，液晶等 —— 在具体说明各种物理效应之前，我们首先说明一下光子效应和光热效应的物理实质有什么不同。
所谓光子效应。是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后。直接引起原子或分子内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为光子能量是，所以光子效应就对光波频率表现出选择性在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。
光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其它物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性，只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈，所以广泛用于对红外辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。值得注意的是，谓热释电效应是响应与材料的温度变化率，比其它光热效应的响应速度要快得多，并己获得日益广泛的应用。 1.3.2光电发射效应
在光照下，物体向表面以外空间发射电子（即光电子）的现象称为光电发射效应。能产生光电发射效应的物体称为光电发射体，在光电管中又称为光阴极。
著名的爱因斯坦方程描述了该效应的物理原理和产生条件。爱因斯坦方程是
式中，
是光子能量；
，是电子离开发射体表面时的动能，m是电子质量，是电子离开时的速度；是光电发射体的功函数。该式的物理意义是：如果发射体内的电子所吸
的值，那么电子就能以相应的速度从发射体表面
收的光子的能量h大于发射体的功函数逸出。光电发射效应发生的条件为
用波长表示时有
式中大于和小于表示电子逸出表而的速度大于零，等号则表示电子以零速度逸出，即静止在发射体表而上。这里和分别称为产生光电发射的入射光波的截止频率和截止波长。注意到
则有
可见，
小的发射体才能对波长较长的光辐射产生光电发射效应。
3. 3光电导效应
光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。在说明光电导效应之前，我们先讨论一下半导体材料的电导概念。
我们知道，金属之所以导电，是由于金属原子形成晶体时产生了大量的自由电子自由电子浓度n了是个常量，不受外界因素影响。半导体和金属的导电机构完全不同，在0 K时，导电载流子浓度为零。在0 K以上，由于热激发而不断产生热生载流子（电子和空穴），它在扩散过程中又受到复合作用而消失。在热平衡下，单位时间内热生载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。因此在导带和满带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p，它们的平均寿命分别用和
，表示。无论何种半导体材料，下式一定成立：
（1 .3一5）
式中了是响应温度下本征半导体中的本征热生载流子浓度。这说明，在N型或P型半导体中，一种浓度增大，另一种浓度就减少，但绝不会减少到零。
在外电场E的作用下，载流子产生漂移运动，漂移速度和电场E之比定义为载流子迁移率，即有
（1 .3一6）
式中，u是端电压，L是电场方向半导体的长度。载流子的漂移运动效果用半导体的电导率来描述，定义为
（1 .3一7）
式中e是电子电荷量。如果半导体的截而积是A，则其电导（亦称为热平衡暗电导）G为
（1 .3一8）
所以半导体的电阻
（亦称暗电阻）为
式中是其电阻率（Ωcm）。
现在我们说明半导体的概念。参看图1.3-1，光辐射照射外加电压的半导体。
图 1.3-1