定义
光电探测器中入射光感应的电流。
大多数类型的光电探测器 - 例如光电二极管,光电晶体管,光电管和光电倍增管 - 都是基于光电流的产生,即与光吸收一起产生的电流。 这可能涉及一些不同的物理机制:
- 在真空管光电探测器(如光电管和光电倍增管)中,人们利用了外部光电效应。
- 在基于半导体的探测器中,人们使用内部光电效应,最常见的是在p-n或p-i-n结中。 还有金属 -半导体 - 金属光电探测器,其中使用肖特基结。
在许多情况下,每个吸收的光子最多获得一个光电子。 一些产生的载流子可能会丢失,即不贡献光电流;这可以用内部量子效率来量化。 总量子效率,也考虑到探测器有用有效区域的不完全吸收,通常会更低。 由此产生的光电流是
随着量子效率η,电子电荷E和光子能量Hν。 光电流和光功率之间的比例因子S称为响应度。
偏置电压通常对响应度影响不大。
使用的工作电压通常仅通过量子效率(例如光电二极管)对光电流产生微弱的影响。 即使在光伏模式下,即零偏置电压,量子效率也不会降低太多。 只有在一定的正向电压下,光电流才开始大幅降低。
对于许多探测器来说,光电流与几十年内的入射光强度或功率非常精确地成正比,直到达到一定水平的饱和。
除了实际的光电流外,还可以存在暗电流,这与入射光强度无关。
光电流倍增可以显著提高响应性。
某些类型的检测器采用乘法机制来获得显着增强的光电流。 这种机制既可用于基于外部光电效应的设备(光电倍增管),也可用于基于内部光电效应的其他设备(雪崩光电二极管)。 对于此类设备,可以在上述等式中添加一个乘法因子。 该倍增系数很大程度上取决于工作电压。
在足够高的光学强度下,就像超短脉冲光一样,即使光子能量低于带隙能量,也可以通过双光子吸收获得光电流。 然后,光电流与入射功率的平方成正比。
转换为电压
光电流通常转换为与电流成比例的电压。 这种转换的最简单方法是让光电流流过电阻。 然而,这种方法并不理想,因为它在响应度和检测器带宽之间引入了权衡。 例如,更好的解决方案是使用跨阻放大器。
光电流噪声
在理想情况下,光电流会根据入射光的强度噪声表现出噪声。 这种情况可以用一些具有高量子效率的光电二极管很好地解决;它们可用于检测散粒噪声水平甚至更低的强度噪声(对于光的挤压状态)。
量子效率降低 - 例如由于光吸收不完全或载流子的内部损失 - 导致额外的光电流噪声;从本质上讲,这是由于一些光电子的随机损失。 显然,这个问题不能通过光电流倍增来解决,而只能通过提高量子效率来解决。
加热效果
光电流的加热通常比吸收的光强得多!
光电流导致光电探测器发热。 加热功率是光电流乘以施加的偏置电压,以及吸收光产生的功率。 对于例如5 V甚至20 V的典型偏置电压,通过光电流的加热比光吸收引起的加热强得多。 因此,对于在高偏置电压下工作,可能必须限制光电流。 否则,光电探测器可能会损坏 - 例如,通过断开半导体芯片或移除士兵连接。
位置感应
来自普通光电探测器的光电流不能提供有关入射光位置的信息。 然而,也有位置敏感探测器,其中测量两个或多个光电流,并且电流分布包含空间信息。