光电探测器是一种基于光电效应，能将光信号转换为电信号的器件 。 它就像人的眼睛，可以帮助人们识别可见的、不可见的微弱信号。 由于光的照射引发物理性质改变的任意物质都可以作为光电探测器的材料，因此光电探测器的种类繁多，且每种都具有其独特的性质和应用场景。

根据光子与物质的相互作用方式的不同，光电效应分为内光电效应和外光电效应。 此外，按照器件结构的不同，光电探测器又分为真空光电器件、光电导探测器、光电二极管（PN/PIN）、光电三极管、雪崩二极管（APD）探测器等。

内光电效应是指当特定波长的光与光电材料相互作用时，光电材料内部的电子从低能态激发到高能态，在低能态留下一个空位——空穴，而在高能态上产生一个能自由移动的电子 。 电子空穴对的产生将改变半导体光电材料的导电性能，通过检测这种性能的变化，从而探测出光信号的变化。 基于内光电效应的光电探测器有光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管、雪崩光电二极管等。

PIN光电二极管是在PN结中间掺入一层浓度很低的I型半导体，由于近乎本征（Intrinsic）半导体，也被称为I层 。 这种方式增大了PN结耗尽区的宽度，减小了扩散运动的影响，从而提高响应速度。

图1.PIN光电探测器结构图及对应的能带结构

PIN光电二极管具有 高量子效率、低噪声、宽光谱响应以及响应速度快 等特点，广泛应用于光通信、光测量、医学成像和激光测距等多个领域。 LBTEK的硅基放大探测器、平衡光电探测器都属于PIN光电探测器。 然而，由于PIN光电探测器 不具有额外的增益，因此探测弱光的能力有限 。

APD是在PIN光电二极管中添加内部电流增益区域，通过其内部的雪崩倍增效应从而实现光生电流的放大 。 由于具备 内部增益（10～100），相比于PIN，APD更适合探测微弱的信号。

图2.APD结构图及电场分布

APD还具有 具有低功耗、小型化、高速、高可靠 等技术特点，在微弱光及单光子探测领域占有重要地位，在量子通信、激光雷达以及激光3D成像等热点领域也被广泛应用。 LBTEK的硅基放大光电探测器、单光子探测器都属于APD。 APD的不足之处在于其 较强的温度敏感性和较高的噪声 等。

外光电效应是指当特定波长的光照射材料表面时，材料会吸收光子并发射电子，从而形成光电流 。 基于外光电效应的光电探测器件一般多为真空光电器件，比如真空光电管、充气光电管、光电倍增管（PMT）、像增强管以及摄像管等。

图3.典型光电倍增管结构图

相比于基于内光电效应的光电探测器（PN/PIN光电二极管、APD），PMT具有高增益（106～107），高灵敏度、超低噪声以及大的光敏区面积等特点。 其中，小面积型 PMT 主要用于激光雷达、光子计数、正电子发射扫描仪等，而大面积型 PMT 主要用于大型中微子探测、伽马射线探测、望远镜观测等高能物理实验研究领域。 它的不足之处在于需要真空和高压（800-1000V）工作环境，这使得器件体积较大、使用起来不够灵活。 同时，PMT的量子效率较低，仅能工作在 UV 和可见光谱范围内。