光电传感器是用于探测从短波到长波电磁辐射，诸如X射线、紫外光、可见光、红外光等的器件。光电传感器可将光信号转换为电信号，然后经过电路处理放大，通过模数转换器转换为数字信号，然后由计算机计算，得出zui终结果。在在这一过程中，并没有直接使用光信号来得出zui终结果，而是通过光和电两种信号的相互转换来完成的，使用光信号来进行探测，其优点为测量距离远，精度高，非接触，信号传输速度快等等优点。要进行光电转换，就必须提到光电传感器。本文主要介绍了光电传感器的原理以及相关的应用举例。
光电传感器
1、光子到电子的转换
由于光和电的zui小单位分别可用光子和电子表示，我们可以用这些术语描述探测过程。光子通过光电传感器转换为电子，并以电流大小输出。更准确的描述是，如当光子被半导体材料吸收时，半导体材料的电子从价带激发到导带，然后由电路读出，作为输出信号。
有三种过程可从材料中激发出电子：光伏效应，光电导效应，光电发射效应。能够发生光伏效应的半导体传感器，应该由P型区和N型区组成，并且两区相互拼接形成P-N结，如图1.1所示。
1.1光电二极管原理图
电子吸收光子后，激发到导带上，但在价带上留下空穴，形成了电子-空穴对。电子在材料内部向着P-N结方向扩散或漂移，zui后到达N型区，这样在N型区和P型区之间形成电势差，即形成了内建电场，如图1.2所示。另一方面，空穴由于带正电荷，到达P型区。zui终，输出电路中有电流输入。这种光电传感器称为光电二极管(PD)。
1.2内建电场的形成示意图
根据其工作原理，光电二极管能够探测到能量高于其材料禁带宽度的光子，此处禁带宽度指的是导带和价带之间形成的电势差。光子能量E可用下面的公式来描述，它是关于波长的函数：
其中，h为普朗克常数，c为光速，
为波长。
光电导效应也会对入射光子响应后在半导体材料中产生电子-空穴对。但是，在这种情况下，产生的电荷使材料的电阻率下降。当给有效工作区两端施加偏置电压，则输入光信号功率的变化能通过输出电路中电流的变化来测量，如图1.3所示。基于光电导效应的光电传感器称为光电导体、光电导元件、光敏电阻。 由禁带宽度窄的材料制成的光电导体大部分用于红外探测。
1.3光电导示意图
光电发射效应指的是当入射光子的能量大于材料的功函数时，材料内部被激发的电子逸出材料表面到 达真空中的现象。功函数指的是费米能级和真空能级间的电势差。基于此原理的光电器件如真空光电管。
1.4真空光电管示意图
2、光电传感器举例
（1） 多像元传感器
图2.1给出的是46像元的多像元传感器，光敏面积为0.9mm×4.4 mm。对于近红外探测，能够采用像元数为16(0.45mm ×1mm)]的InGaAs的阵列探测器。这些是高亮度场合用来测量的多像元传感器实例，大部分是用于光谱仪中。对于像元数、像元尺寸、像元形状的任意改动从技术上是可能的。
图2.1 46像元的多像元传感器示意图
多像元传感器的优点之一是有快的读出速度，因为每一像元的信号是并行输出。然而，有时并行输出是个缺点，原因是读出电路的复杂程度与像元的多少成线性关系。对于像元数大于100的探测器而言，专门设计了互补型金属-氧化物-半导体读出电路来顺序读出每一像元的信号。在这种情况下，全部像元的读出速度就受到限制。
（2）位置敏感型传感器
三角法可用于照相机自动调焦距离的测量，如图2.2所示，该系统需要测量传感器上光斑的位置。这里，可采用位置敏感器件，如图2.3所示。它由电阻层和连接在两端的输出电极组成，辐射源的位置根 据下述公式来决定：
式中，x为光斑距中心的x坐标；Lx为有效面积的长度；Ix1和Ix2分别为两端电极的输出电流。
2.2光学三角法测量
2.3一维PSD的剖面图
二维PSD的工作原理与一维的相同，在市场上能够见到尺寸达到14mm ×14mm二维PSD。PSD的优点是响应时间频率为1MHz的数量级时，能达到10μm的位置分辨率。这是可以实现的，因为一维的 PSD仅有两个信号输出端，二维的有四个信号输出端。PSD的时间响应率和位置分辨率既与它的尺寸、 电阻和结构有关，也与输入光信号的波长和功率有关。
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