光电探测器和光电二极管的工作原理

光电探测器是利用光电效应把入射的光信号转换为易于测量的电信号的器件，是激光雷达最核心的器件之一。光电探测器的质量对光电探测电路的性能有非常重要的意义。光电探测器可分成三大类：第一类是以光电管、光电倍增管(Photo Multiplier Tube，PMT)为代表的光电发射型(或者光生电流型)；第二类是以光敏电阻、光导管、电荷耦合原件(Charge Coupled Device，CCD)为代表的光电导型；第三类是以PIN 探测器、APD 探测器为代表的光生伏特器件(或者光电压型)。在直接测距型激光雷达方面采用的探测器主要有PMT、PIN、APD 三种(李密等，2011)。PMT 的优点是响应速度快、噪声较低、增益极高等，但它是电真空器件，结构不牢固、体积较大，需要很高的偏置电压才能工作；PIN 光电探测器的突出优点是响应速度快、反向偏压要求低，但其自身并无增益等特点；APD 是一种高灵敏度的光电探测器，优点是响应速度快，具有载流子倍增效应，且所需的偏置电压和体积远小于PMT 等特点。

1. 光电二极管工作原理

普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流；光电二极管在设计和制作时尽量使PN 结(掺杂本证半导体)的面积相对较大，以便接收入射光。PN结的结深很浅，一般小于1μm。光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流很小(一般小于0.1 微安)，称为“暗电流”(刘建朝，2007)。当有光照时，携带能量的光子进入PN 结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为“光生载流子”(李艳华，2010)。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大，这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫“光电流”。如果在外电路上接上负载，负载上就获得电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。从电路的观点来看，光电二极管可以看作是一个高内阻的电流源和理想二极管的并联。

APD 是在反向的偏置高压下工作的光电压型探测器，当有光照射到APD 的光敏面上时，由于受激光吸收而在器件内产生出光生载流子。在外加反向高压电场的作用下，APD内部的PN 结形成了一个高场区，光生载流子经过时被加速并获得了很大的动能，然后撞击晶格原子，使晶格中的原子产生新的电子-空穴对，这些新生的电子-空穴对在电场作用下加速后继续撞击其他的原子。如此反复进行，使电子-空穴对数目急剧增加，致使电流不断增大，形成所谓的雪崩倍增效应。从而产生出大量的载流子，并一起运动到电极，当外部电路闭合时，外部电路中就会有电流流过，从而完成光电变换过程(邓大鹏等，2009)。(www.xing528.com)

2. 光电探测器类型的选择

在激光雷达系统中，我们需要精确测量激光脉冲的飞行时间，所以对光电探测器的响应时间有很高的要求。根据获取的激光信号，我们需要探测的是高重频、窄脉宽和微弱的激光信号。因此，选择的探测器灵敏度要强，响应速度要足够快。考虑到光学功率、带宽和放大器结构的影响，以及接收器件的噪声较大，一般在测距时选用APD 光电探测器(王秀芳，2006)。

图2-7 描述了PIN、APD 光电探测器的信噪比与输入信号功率的关系。从图2-7 可以看出：PIN 和APD 在输入功率为1mW 时，信噪比相近；而对于1mW 以下的弱光信号的探测，APD 的信噪比比PIN 明显高出很多。另外，PIN 管抗外部干扰性较差，动态响应范围小。在脉冲激光雷达系统中通常要求光电探测器有能力接收微弱的回波信号，所以说APD 是激光雷达接收系统的理想选择。