光电探测器的原理是辐射改变了被照射材料的电导率。光电探测器根据不同的辐射响应方式或不同的工作机制，可分为两类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。

1 光电探测器

光子探测器（ photon detector） 利用外光电效应或内光电效应辐射探测器，也被称为光电探测器。探测器中的电子直接吸收光子的能量，改变运动状态并产生电信号，通常用于检测红外辐射和可见光。

1.1 什么是内光和外光电效应是什么？

1.1.1 外光电效应

在光的作用下，电子从物体表面向外发射的现象称为外光效应。
在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子，发射的电子称为光电子。当光的波长小于一定的临界值(相当于光的频率高于一定的临界值)时，电子(光波频率越高，波长越短，能量越大，和极限波长。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而不是光的强度，这不能用光的波动性来解释。另一个矛盾是光的波动性，即光电效应的瞬时性。根据波动性理论，如果入射光较弱，照射时间较长，金属中的电子可以积累足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是，光必须由能量单位（即光子或光量子）组成，与波长有关。爱因斯坦提出了这种解释。德国物理学家赫兹于1887年发现了光电效应，在量子理论和波粒二象性的发展中发挥了根本作用。
根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动粒子流，每个光子的能量都是hv(v光波频率，h由此可见，不同频率的光子能量不同，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的所有能量都交给光子，电子能量就会增加，一部分能量被用来克服正离子的束缚，另一部分被转化为电子能量。
从上面可以看出，光电子逃离阴极表面的必要条件是hv>w。由于不同的材料有不同的逃逸功能，因此对于每种阴极材料，入射光都有一定的频率限制。当入射光的频率低于此频率限制时，无论光强有多大，都不会产生光电子发射，称为红限。

1.1.2 内光电效应

当光照在物体上时，物体的电导率发生变化，或产生光生电势的现象称为内光电效应。
阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极可以用这种现象制成。半导体材料的价带与导带之间有一个带隙，其能量间隔为Eg。一般来说，价带中的电子不会自发地跳到导带，因此半导体材料的导电性远低于导体。但是，如果价带中的电子以某种方式提供能量，就可以刺激导带，形成载流子，增加导电性。光是一种激励。能量进入射光hν≥Eg( Eg当为带间隔时，价带中的电子会吸收光子的能量，跳到导带，而价带中的下一个空穴会形成一对导电的电子空穴。这里的电子没有逃逸形成光电子，但显然有光产生的电效应。因此，这种光电效应是一种内光电效应。从理论和实验结果的分析来看，为了使价带中的电子跳跃到导带，还有一个极限能量进入射光，即Eλ=hν0=Eg,其中ν0是低频限(即极限频率)ν0=Egh)。这种关系也可以用长波限来表示，即λ0=hcEg。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时，电子带间跳跃将发生。当入射光能量较小，电子无法从价带转移到导带时，电子吸收光能后可能会在能带内的亚能级结构之间（即图1中每条能带的细线之间）转移。

内光电效应是一种光电效应，主要是由于光量子的作用，导致物质电化学性质的变化（如电阻率的变化，这与外光电效应不同，外光电效应是逃逸电子）。

1.2光子探测器原理

利用外光电效应光子探测器是由光子探测器制成的真空电子设备，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。这些设备包含对光子敏感的光电阴极。当光子投射到光电阴极上时，光子可能会被光电阴极中的电子吸收，获得足够大的能量的电子可以逃离光电阴极，成为自由光电子。在光电管中，光电子在正电阳极的作用下运动，形成光电流。光电倍增管和光电管的区别在于，光电倍增管的光电阴极和阳极之间设置了多个电位，可以产生二次电子电极（称为打拿极）。在打拿极电压的加速下，从光电阴极逃逸的光电子与打拿极碰撞，产生倍增效应，最终形成较大的光电流信号。因此，光电倍增管的灵敏度远高于光电管。红外变像管是一种红外-可见图像转换器,它由光电阴极、阳极和一个简单的电子光学系统组成。当它们撞击与阳极相连的磷光屏幕时，光电子受到阳极加速和电子光学系统的聚焦，发出绿色光像信号。

利用内光电效应光子探测器由半导体材料制成固体电子设备，主要包括光电导探测器和光伏探测器等。光电导探测器光电导率效应是指辐射引起的物理现象。当光子能量照射时hv禁带宽度等于或大于半导体Eg当光子能将价带中的电子激发到导带，从而产生导电的电子和空穴对，这就是本征光电导效应。光伏探测器通常由半导体组成PN其原理是利用结构PN结的内部建筑电场将光生载流子（当光照射半导体时，如果光子的能量等于或大于半导体的禁带宽度，则价格带中的电子吸收光子进入导带，产生电子空穴对）扫出结区，形成信号。当探测器被光(辐照)和体内本征光吸收时，会产生两种带相反电荷的光生载流子(电子和空穴)。起初，这两种光生载流子仅限于光区，然后由于浓度梯度的存在，其中一些扩散到光区PN结区，在PN在结内建电场的作用下，分别聚集在结的两端，形成电压信号。如PN将两端连接成电路，形成电流信号。

光子探测器是一种具有选择性响应波长的探测器。光子探测器只有在射光子能量大于光敏材料中的电子激活能E时才能响应。光电管、光电倍增管等外光电效应器件，E当电子逃离光电阴极时，这个值通常略大于1电子伏。因此，这种探测器只能用于探测近红外辐射或可见光。光伏探测器、本征光导型探测器等内光电效应器件，E对于非本征光导型探测器，E等于杂质电离能。由于禁带宽度和杂质电离能这两个参数都有较大的选择余地，因此，半导体光子型探测器的响应波长可以在较大范围内进行调节。例如，用本征锗做成的光导型探测器，对近红外辐射敏感；而用掺杂质的锗做成的光导型探测器，既能对中红外辐射敏感（如锗掺汞探测器），也能对远红外辐射敏感（如锗掺镓探测器）。

1.3 半导体光子探测器的性能

制备探测器所用的半导体材料在很大程度上取决于半导体光子探测器的性能。半导体材料比半导体材料更有用。本征半导体材料不仅可以用来制造光导探测器，还可以制造光伏探测器；混合半导体只能制造光导探测器。大多数半导体光子探测器必须在较低的温度下工作，如77K，38K或4.2K。室温下同一探测器的探测率明显低于低温。为了保持半导体光子探测器的正常运行，通常将探测器放置在低温容器（杜瓦瓶）中，或使用微冷却器使探测器达到较低的工作温度。

2热探测器

热探测器是一种利用探测元件吸收入射的红外辐射能量引起温升的探测器。

2.1 热探测器简介

物体吸收辐射，晶格振动加剧，辐射能转化为热能，温度升高。与温度相关的物理性能因物体温度升高而发生变化。这种物体吸收辐射，改变其温度，从而导致物体物理和机械性能的相应变化，称为热效应。由热效应制成的探测器称为热探测器。
热探测器光电转换的过程分为两步：第一步是热探测器吸收红外辐射引起温升，这对各种热探测器都是一样的；第二步是利用热探测器的某些温度效应将温升转化为电量。
由于热探测器利用辐射引起物体的温升效应，它对任何波长的辐射都有响应，因此热探测器被称为无选择性探测器，这与光子探测器有很大的不同。热探测器的发展比光子探测器早，但现在一些光子探测器的探测率接近背景限制，而热探测器的探测率远离背景噪声限还有很大差距。
        辐射被物体吸收后转换成热，物体温度升高，伴随产生其他效应，如体积膨胀、电阻率变化或产生电流、电动势。测量这些性能参数的变化就可知道辐射的存在和大小。利用这种原理制成了温度计、高莱探测器、热敏电阻、热电偶和热释电探测器。

2.2 热探测器基本原理

        热探测器的基本工作原理是目标红外辐射通过红外物镜照射到探测器敏感材料上，引起其敏感材料的某些可测物理量的变化，从而将可测物理量的变化读出后通过A/D转化变为电信号，通过信号图像处理，再进行D/A转换，最后把信号传送到监视器。实现对辐射热的探测。

2.3 热探测器类型

        热探测器常被分为四种：气动探测器（高莱管）、热电偶或热电堆、热敏电阻、热释电探测器。

2.3.1 气动探测器（高莱管）

        利用充气容器接受热辐射后温度升高气体体积膨胀的原理，测量其容器壁的变化来确定红外辐射的强度。这是一种比较老式的探测器，但在1947年经高莱改进以后的气动探测器，用光电管测量容器壁的微小变化，使灵敏度大大提高，所以这种气动探测器又称高莱元件。

2.3.2 热敏电阻

        热敏电阻的阻值随自身温度变化而变化。它的温度取决于吸收辐射、工作时所加电流产生的焦耳热、环境温度和散热情况。热敏电阻基本上是用半导体材料制成的，有负电阻温度系数（NTC）和正电阻温度系数（PTC）两种。
        热敏电阻通常为两端器件，但也有制成三端、四端的。两端器件或三端器件属于直接加热型，四端器件属于间接加热型。热敏电阻通常都制得比较小，外形有珠状、环状和薄片状。用负温度系数的氧化物半导体（一般是锰、镍和钴的氧化物的混合物）制成的热敏电阻测辐射热器常为两个元件：一个为主元件，正对窗口，接收红外辐射；另一个为补偿元件，性能与主元件相同，彼此独立，同封装于一管壳内，不接收红外辐射，只起温度补偿作用。

2.3.3 热电偶和热电堆

        热电偶是最古老的热探测器之一，仍得到广泛的应用。热电偶是基于温差电效应工作的。单个热电偶提供的温差电动势比较小，满足不了某些应用的要求，所以常把几个或几十个热电偶串接起来组成热电堆。热电堆可以比热电偶提供更大的温差电动势，新型的热电堆采用薄膜技术制成，因此，称为薄膜型热电堆。

2.3.4 热释电探测器

        热释电探测器是发展较晚的一种热探测器。如今，不仅单元热释电探测器已成熟，而且多元列阵元件也成功地获得应用。热释电探测器的探测率比光子探测器的探测率低，但它的光谱响应宽，在室温下工作，已在红外热成像、红外摄像管、非接触测温、入侵报警、红外光谱仪、激光测量和亚毫米波测量等方面获得了应用，所以，它已成为一种重要的红外探测器。

3 光电探测器技术要求

        为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。现将光电探测器件的应用选择要点归纳如下：
        光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。如果测量波长是紫外波段，则选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件；如果信号是可见光，则可选用光电倍增管、光敏电阻和Si光电器件；如果是红外信号，则选用光敏电阻，近红外选用Si光电器件或光电倍增管；
        光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好，因光源必须照到器件的有效位置，如光照位置发生变化，则光电灵敏度将发生变化。如光敏电阻是一个可变电阻，有光照的部分电阻就降低，必须使光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效地利用全部感光面。光电二极管、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积，故一般把透镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。一定要使入射通量的变化中心处于检测器件光电特性的线性范围内，以确保获得良好的线性输出。对微弱的光信号，器件必须有合适的灵敏度，以确保一定的信噪比和输出足够强的电信号；
        光电探测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。这种情况主要是选择响应时间短或上限频率高的器件，但在电路上也要注意匹配好动态参数；
        光电探测器必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等；
        为使器件能长期稳定可靠地工作，必须注意选择好器件的规格和使用的环境条件，并且要使器件在额定条件下使用；

4 光电探测器应用

        光电探测器件的应用选择，实际上是应用时的一些事项或要点。在很多要求不太严格的应用中，可采用任何一种光电探测器件。不过在某些情况下，选用某种器件会更合适些。例如，当需要比较大的光敏面积时，可选用真空光电管，因其光谱响应范围比较宽，故真空光电管普遍应用于分光光度计中。当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时，采用光电倍增管最合适，因为其放大倍数可达10^4～10^8以上，这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此，在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面，光电倍增管得到广泛应用。
        固体光电探测器用途非常广。CdS光敏电阻因其成本低而在光亮度控制（如照相自动曝光）中得到采用；光电池是固体光电器件中具有最大光敏面积的器件，它除用做探测器件外，还可作太阳能变换器；硅光电二极管体积小、响应快、可靠性高，而且在可见光与近红外波段内有较高的量子效率，因而在各种工业控制中获得应用。硅雪崩管由于增益高、响应快、噪声小，因而在激光测距与光纤通信中普遍采用。
        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。所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。光电导体的另一应用是用它做摄像管靶面。为了避免光生载流子扩散引起图像模糊，连续薄膜靶面都用高阻多晶材料,如PbS-PbO、Sb2S3等。其他材料可采取镶嵌靶面的方法，整个靶面由约10万个单独探测器组成。
        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。它与工作在同样波段的Ge：Hg探测器相比有如下优点：工作温度高（高于77K），使用方便,而Ge:Hg工作温度为38K；本征吸收系数大,样品尺寸小；易于制造多元器件。表1和表2分别列出部分半导体材料的Eg、Ei和λc值。
        通常，凡禁带宽度或杂质离化能合适的半导体材料都具有光电效应。但是制造实用性器件还要考虑性能、工艺、价格等因素。常用的光电导探测器材料在射线和可见光波段有：CdS、CdSe、CdTe、Si、Ge等;在近红外波段有：PbS、InGaAs、PbSe、InSb、Hg0.75Cd0.25Te等;在长于8微米波段有:Hg1-xCdxTe、PbxSn1-x、Te、Si掺杂、Ge掺杂等；CdS、CdSe、PbS等材料可以由多晶薄膜形式制成光电导探测器。 可见光波段的光电导探测器 CdS、CdSe、CdTe 的响应波段都在可见光或近红外区域，通常称为光敏电阻。它们具有很宽的禁带宽度（远大于1电子伏）,可以在室温下工作，因此器件结构比较简单，一般采用半密封式的胶木外壳，前面加一透光窗口，后面引出两根管脚作为电极。高温、高湿环境应用的光电导探测器可采用金属全密封型结构，玻璃窗口与可伐金属外壳熔封。
        器件灵敏度用一定偏压下每流明辐照所产生的光电流的大小来表示。例如一种CdS光敏电阻,当偏压为70伏时，暗电流为10-6～10-8安，光照灵敏度为3～10安/流明。CdSe光敏电阻的灵敏度一般比 CdS高。光敏电阻另一个重要参数是时间常数 τ，它表示器件对光照反应速度的大小。光照突然去除以后，光电流下降到最大值的 1/e（约为37%）所需的时间为时间常数 τ。也有按光电流下降到最大值的10%计算τ的;各种光敏电阻的时间常数差别很大。CdS的时间常数比较大（毫秒量级）。 红外波段的光电导探测器 PbS、Hg1-xCdxTe 的常用响应波段在 1～3微米、3～5微米、8～14微米三个大气透过窗口。由于它们的禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。
        响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3微米波段的探测器可以在室温工作（灵敏度略有下降）。3～5微米波段的探测器分三种情况：
        1）在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有1～7×108厘米·瓦-1·赫；热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米·瓦-1·赫；77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米·瓦-1·赫以上。8～14微米波段的探测器必须在低温下工作，因此光电导体要保持在真空杜瓦瓶中，冷却方式有灌注液氮和用微型制冷器两种。
        2）红外探测器的时间常数比光敏电阻小得多,PbS探测器的时间常数一般为50～500微秒,HgCdTe探测器的时间常数在10-6～10-8秒量级。红外探测器有时要探测非常微弱的辐射信号,例如10-14 瓦；输出的电信号也非常小,因此要有专门的前置放大器。
        3）在动态特性（即频率响应与时间响应）方面，以光电倍增管和光电二极管（尤其是PIN管与雪崩管）为最好；在光电特性（即线性）方面，以光电倍增管、光电二极管和光电池为最好；在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。值得指出的是，灵敏度高不一定就是输出电流大，而输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管；外加偏置电压最低的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加偏置；在暗电流方面，光电倍增管和光电二极管最小，光电池不加偏置时无暗电流，加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大；长期工作的稳定性方面，以光电二极管、光电池为最好，其次是光电倍增管与光电三极管；在光谱响应方面，以光电倍增管和CdSe光敏电阻为最宽，但光电倍增管响应偏紫外方向，而光敏电阻响应偏红外方向。