一文读懂高深莫测的光电检测技术
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光电检测技术在很多领域都有着非常广泛的应用，从简单的红外感应器到光纤通讯设备，以及我们日常拍照的手机里的图像传感器。无论是单个的接收管还是大规模的光电单元阵列，其基本原理都是光电效应中的光吸收。
至于光电效应，这就是中学课本的知识点了。简单来说就是原子的核外电子吸收了光子的能量后挣脱了原子核的束缚而跑出来，这个能量和频率有关，即E=hv，最小的能量值称作禁带宽度。
一、光电检测的概念与参数 1、 响应度 光电效应产生的电子在电场的作用下移动即生成光电流，其电流大小与入射光的功率成比例Ip=RPin。R为检测器的响应度，单位A/W。 2、 量子效率 能转换为光电流的光子数和入射光子总数比值为量子效率。可表示为：
即：
3、 响应带宽 带宽即响应时间，根本原因在于光生载流子通过吸收区的时间。但是吸收区的宽度又和响应度是正相关的，所以这二者是互相牵制的。与此相关的另一个参数即寄生电容。 4、 暗电流 所谓的暗电流顾名思义就是无光照时的电流。这时虽然没有外部光子激发电子，但是半导体内部因为热效应或者杂散光等产生的载流子一样会形成电流，不过这个电流一般很小，大多nA以下。 上述是光电探测器的几个典型参数，但是不同的半导体对于光子的吸收是不一样的，除了我们最常见的如Si，Ge等，其他的新型材料也在不断出现以适用于不同的技术方案中。而对于新材料的探索可以说是目前传感检测领域最热门前沿的领域之一。
以PIN型光电二极管为例，可以看到半导体材料导致的参数差异。
二、 检测器的几种类型 1、 PN型光电检测器 PN型光电二极管是最简单的检测单元，只需要一个PN结。外加反向偏置电压后即形成光导型探测器（无偏置电压为光伏型探测器）。
入射光大部分在耗尽区被吸收，产生的载流子在电场下向左右移动形成电流。响应速度受偏置电压和半导体掺杂浓度影响。一般而言RC时间常数为数百皮秒，因此可以工作在1GHz带宽以下。不同的设计导致的带宽差异很大。 2、 PIN型光电检测器 PIN型光电二极管是为了进一步提高响应速度而出现的。因为在PN型二极管中，在P和N区产生的载流子需要扩散到耗尽区边缘，而扩散运动的速度比较慢，导致限制了响应速度的进一步提高。因此可以考虑增大耗尽区宽度。
PN之间插入的一层为非掺杂的或者轻掺杂的半导体，接近本征半导体。因此成为PIN型。中间层属于高阻抗区，因此存在较强电场，通过控制耗尽层W的宽度调节响应速度。但是过宽依然会导致载流子通过时间过长，需要平衡，典型值为20~50um。但是采用InGaAs材料则可以缩小至3~5um，大大提高探测带宽。目前用于通信领域的PIN管带宽可以做到百G以上，在波分设备中广泛应用。 3、 APD型光电检测器 雪崩型检测二极管利用的是碰撞电离的雪崩效应，其过程可类比核弹。
P 和N 为重掺杂的半导体材料，I为近似本征半导体的材料。在反向高压偏置时，入射光产生的载流子会在强电场中加速，出现碰撞电离，即倍增效应。 但是倍增过程中的不稳定性会产生倍增噪声，因此需要在速度和噪声之间权衡。 4、 PMT检测器 光电倍增管是检测领域应用最多的器件之一，其基本原理类似APD，只是增益更大，常用于极微弱光信号探测。
内部利用高压分压产生的多段电场区进行多级加速倍增。
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