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在前两篇科普中，主要介绍了紫外探测器、红外探测器的发展、分类及核心工作机理。作为光电领域的“感知利器”，探测器的性能评判标准、关键性能的精准测量方法，以及其在各领域的创新应用，均是行业关注的核心问题，本文将围绕这些内容对紫外光电探测器、红外光电探测器分别展开阐述。
一、光电探测器的核心性能参数
同为探测器，红外与紫外探测器虽工作波段不同，但核心性能评价体系存在诸多共性，同时也有适配自身波段特性的专属指标，共同决定其应用场景的适配性。
（一）响应时间（Response Time，τr）：捕捉信号的 “反应速度”
响应时间（τr）是光电探测器适配视频成像、光通信等高速应用场景的核心性能指标，由光生空穴从光子吸收位置迁移至负极的平均渡越时间τ决定[1]，该参数可细分为上升时间（τrise）与下降时间（τfall）：分别指光电流从峰值的10%增长到90%的时间，以及从90%下降到10%的时间，这些变化是对调制光照（例如阶跃函数）的响应。缩小光电探测器电极之间的间距可以缩短光生载流子到达电极的传输时间，减少响应时间，但同时也会减少光电探测器的光敏面积[2]。在传统探测器中，可以通过补偿手段缩短复合时间来降低响应时间，但这种方法也会降低灵敏度[1]。
商用红外光电探测器的响应时间通常在数十皮秒（ps）到数百纳秒（ns）之间。基于技术发展，很多探测器在响应时间上有很大突破。例如有研究已发现InSb PEM探测器的响应时间不超过0.2ps，且热噪声限制。这一特性在宽带应用中具有吸引力[3]。商用紫外光电探测器响应时间呈数纳秒至数十毫秒分布，传统半导体基器件响应更快，例如UV-Si型响应时间约为3ns，AlGaN日盲探测器零偏下响应时间可至8ms；恢复时间可至12ms；4H-SiC 深紫外探测器兼具高速与高温稳定性；新型MoS₂/InP 异质结探测器实验室阶段上升时间为2.5ms；下降时间为3ms，民用紫外传感模块则约0.5s。
响应度表示探测器输出信号与入射辐射功率的比值，分为电压响应度（V/W）和电流响应度（A/W），是衡量光—电转换效率的核心指标。
定义为光电流（Ip）或光电压（Vp）与入射光功率的比值，分别用
或
表示，其中RI、RV和P分别代表电流响应度、电压响应度和探测器活性区域的光照功率[2]。响应度越高，相同强度的辐射能转化为越强的电信号，多数光探测器需要外部偏置才能工作并产生光电流，此时响应度以电流响应度表示。
红外探测器响应度与红外探测器的吸收层材料特性、结构设计及工作温度密切相关。以InGaAs类和石墨烯类红外探测器为例，通过改变InGaAs吸收层的合金成分，可在终端用户所需波长处*大化光电探测器的响应度，从而提高信噪比[4]；普通石墨烯基光电探测器的响应度迄今仅能达到数十mA/μW，但石墨烯双层异质结构的超宽带光电探测器中红外响应度超过1A/W[5]。紫外探测器响应度同样受材料本征特性、器件结构设计显著影响，宽禁带半导体的禁带宽度决定探测波段适配性，如Ga₂O₃（4.9eV）基深紫外探测器经Al@Al₂O₃核壳纳米阵列修饰后，254nm处响应度达216A/W[6]；而异质结构筑可通过内建电场提升载流子分离效率，GaN/(BA)₂PbI₄异质结探测器在365nm紫外光、5V偏压下响应度达60mA/W[7]，MoS₂/石墨烯/h-BN范德华异质结通过势垒调控，250nm深紫外响应度高达4.4×10⁶A/W[8]，此外偏压、光强等工作条件也会通过载流子漂移速度、散射复合等机制调控响应度数值[6]。
探测率定义为单位带宽、单位探测面积下的信噪比，是衡量探测器在噪声背景下识别微弱信号能力的核心参数。
其表达式为
其中D*的单位为 
或琼斯（Jones），R为响应度，A为有效面积，IN为噪声电流，Δf为噪声等效带宽[2][9]
对于受散粒噪声限制的光电二极管，其比探测度可近似表示为:
e表示电子电荷（1.602×10−19 C），Idark为暗电流。
更高的D*值表明探测器更灵敏，能有效将微弱的入射光信号与背景噪声区分开来。红外探测器探测率与探测器的噪声水平、辐射吸收效率及响应度直接相关，先进的光电探测器在中红外光谱区域可达到1012Jones的特定探测率[2]。紫外探测器的探测率核心也受暗电流、噪声水平、响应度直接影响，材料结晶质量、缺陷密度及器件结构设计则通过调控前三者间接决定探测率表现，低暗电流、低噪声与高响应度的协同优化是实现高探测率的关键[10][11][12]。
噪声等效功率用于表征光电探测器的灵敏度[13]，其核心是区分入射到探测器的*小可探测光功率，以及探测器本身和配套电路产生的固有噪声。
该指标与探测器的响应度(R)相关联，如下公式：
响应度越高，NEP值越小，探测器能探测到的辐射功率越低，极限探测能力越强。所以NEP也与探测器的吸收层材料特性、结构设计及工作温度密切相关。例如，二维材料的本征薄层结构，使其载流子的传输空间天然受到限制；而这种空间约束会直接提升材料的本征电阻，这也让基于二维材料制备的红外光电探测器具备固有低电流的特性，相较块体半导体基红外光电探测器，能够实现更低的噪声表现[14]。深空探测中的红外探测器、痕量污染物检测中的紫外探测器，均需极小的 NEP 值保障检测精度[15]。
外量子效率定义为探测器输出的有效载流子数与入射到探测器表面的目标波段光子数的比值（通常以百分比表示），本质上反映了被吸收光子产生电荷载流子的概率。
公式表示为：
c为真空中光速（3.0×108 m/s），λ（nm）为入射光波长，e(C)为电子基本电荷（1.602×10−19 C），h为普朗克常数（6.634×10−34 J s）.
EQE值越高，表明探测器对入射光子的利用率越高，相同光子数下能产生更多有效载流子，进而提升响应度与探测率。通过精心选择材料、优化器件结构并改进制造工艺，能够针对特定应用场景实现光电探测器EQE的*大化[16][17]。
二、光电探测器的测试方法与系统
红外与紫外探测器的核心参数测试遵循相似的科学逻辑，多数测试仅在光源、滤光设备等环节根据波段特性调整。根据探测器特性，测试分析一般基于以下方面：
（一）光学性能测试
光学性能测试核心评估探测器对光信号的响应能力，包括光谱响应范围、响应度（R）、比探测率（D*）、响应/恢复时间、光功率依赖性、偏振选择性（部分器件）、阵列成像性能等。
例如，基于FDTD法模拟，计算反射率（R）、透射率（T），按 A=1-R-T 推导，并结合EQE测量验证吸收效果进行吸收率模拟与测试[18]。利用宽光谱激光器、光功率计、源表等设备扫描波长，测量不同波长下光电流，计算响应度R和EQE[13]；在FTIR光路中插入偏振片，分别设置TM和TE偏振方向，测量相同偏压和温度下的光电流光谱，对比特征峰强度差异以研究偏振选择性[19]；对基于β-Ga₂O₃薄片的背栅场效应晶体管结构紫外光电探测器在黑暗中进行测试，得出器件表现出的典型的场效应管（FET）特性，β-Ga₂O₃沟道层对254nm光照具有较大的光响应[20]。
图1 b-As基红外光电探测特性探究[13] (a)在400 W 入射功率下，不同激光波长对应的时间分辨光电流(b)光电探测器在不同波长下的响应度与外量子效率(c)光电探测器对不同激光波长的噪声等效功率与比探测度(d)研究与其他光电探测器的响应度对比
图2 光学表征结果：(a)光电流光谱(b) QWIP材料的TM偏振光与TE偏振光透射光谱比值[19]
图3 基于β-Ga₂O₃薄片的器件结构及其电学特性 (a)β-Ga₂O₃薄片基FETs的典型电学特性 (b)器件在不同波长光照下的时间响应 (c)响应度与波长的函数关系[20]
（二）电学性能测试
电学性能测试评估探测器的电信号传输与稳定性，包括I-V特性、暗电流、噪声特性、偏压依赖性，载流子特性（浓度、迁移率）等。除此之外，电学性能测试多数还可和机械稳定性（柔性器件）、加密性能（部分器件）建立联系进行双测试。
例如，利用Keithley源表、探针台等在暗箱环境下，施加-1至1V偏压，分别测量暗态及光态电流以进行红外探测器I-V特性与暗电流测试，并依据光电流对器件的柔性弯曲程度进行了测试[21]；10V偏压下，用光谱分析仪测量 1至1000 Hz 频段噪声电流，分解1/f噪声、G-R噪声及热噪声成分进行红外探测器噪声特性测试[9]；在室温环境，利用控制变量法测试不同光线环境（暗态，365 nm 和 254 nm 波长光源照射）制备的β-Ga₂O₃/4H-SiC异质结紫外光电探测器 H800，H900，和H1000的I-V特性[22]。
图4 :(a)伏安曲线 (b) 不同弯曲循环下光电流随时间变化的曲线[21]
图5 PbSe光电探测器10V偏压下的噪声谱密度[9]
图6 器件电学测试 (a) β-Ga₂O₃/4H-SiC 异质结光电探测器结构示意图；(b)(c)(d) H800、H900、H1000 分别在暗态，365 nm，及 254 nm 光照条件下的 I-V 特性曲线[22]
（三）材料与结构表征
材料与结构表征验证探测器活性层及器件结构的合理性，包括薄膜形貌、晶体结构、元素组成与化学态、厚度与粗糙度、能带参数（功函数、带隙）。核心测试设备一般有扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）等。
例如，通过SEM观察薄膜表面及截面形貌、通过AFM 测试区域表面粗糙度、通过XRD分析晶向和结晶度、通过XPS测试轨道结合能，通过TEM观察晶格排列，通过FFT和SAED验证晶向一致性等[23]；利用XRD分析石英基底上沉积的氧化镓薄膜在不同温度退火后的材料结构表征，随着退火温度的升高,样品伴随着再结晶呈现更多的晶态[24]。
图7 (a) PbTe薄膜的SEM图像 (b) PbTe薄膜的AFM图像
(c) PbTe薄膜TEM图像 (d) 与TEM图像对应区域的 FFT 图，插图显示 SEAD 图像[23]
图8 不同退火温度的 XRD 图谱[24]
三、光电探测器应用
（一）红外探测器应用红外探测器凭借对红外辐射的精准感知，已广泛应用于多领域：民生场景中，热探测器适配家用防盗报警、非接触测温及小区监控，光子探测器支撑高端安防与消费电子的红外功能；医疗领域可实现无创热成像诊断、组织血氧监测，助力疾病筛查与重症监护；国防航天中，是红外制导导弹、深空探测及边境防控的核心部件；工业与环境领域则用于设备故障监测、无损检测、新能源安全预警及废气污染物检测，为各行业提供技术保障。
例如，有研究已发出，一项六臂星状树枝状硫化铅（SASD-PbS）纸基柔性红外探测器对医学领域有很大推进，其核心聚焦智能医疗监测领域，形成两大红外应用场景[25]：
血氧饱和度（SpO₂）无创监测：依托365-1550nm宽光谱响应特性，构建650nm（红光）与900nm（红外光）双波长光电容积脉搏波（PPG）传感系统。利用还原血红蛋白、氧合血红蛋白对两种波长的特异性吸收差异，通过探测器捕捉透射光信号，提取交流与直流分量计算特征比值，实现不同生理状态下（性别、运动前后、呼吸状态）血氧饱和度的实时量化，为健康监测与疾病预警提供数据支持。
智能伤口愈合监测：基于探测器红外成像能力开发智能绷带，通过红外光源照射伤口区域，探测器捕捉反射信号并转化为光电流图谱，实时追踪伤口修复动态。其柔性纸基设计可紧密贴合皮肤，经多次弯曲循环与长期存储仍保持稳定性能，能避免传统检查的二次感染，未来可集成多传感与药物释放功能，实现慢性伤口动态监测与个性化治疗。
图9 基于六臂星形树突状硫化铅光电探测器的红外成像系统用于慢性伤口监测[25]
（二）紫外探测器应用
紫外探测器应用广泛，便携式紫外探测器适配家用紫外线杀菌监测、防晒指数检测及室内紫外泄漏报警，固定式紫外探测器支撑公共场所消毒监管与饮用水紫外杀菌监控；医疗领域可实现皮肤紫外损伤检测、消毒效果验证，助力皮肤疾病预防与医疗无菌环境管控；国防航天中，是紫外告警系统、卫星紫外遥感及导弹尾焰探测的核心部件；工业与环境领域则用于高压设备电晕检测、火焰探测、光刻工艺监测及大气臭氧/紫外辐射检测，为各行业提供技术保障。
例如，在电力系统方面，紫外光电探测器凭借对电弧紫外特征辐射的高灵敏度、快速响应性和抗干扰能力，成为电弧检测系统的核心传感部件，可实现电弧的实时、精准、非接触式检测，是电气安全防护的关键技术之一。
已有研究为验证紫外探测器在检测电弧方面的实际应用能力，选用脉冲电弧发生器，搭建电弧检测系统，采用 10 kV 高压直流电源来模仿高压电网线之间的输送电压[26]。电弧放电会产生特定波段的紫外光，并且具有一定的光功率强度。探测到的光强度和转换后的电信号幅度会随着探测器与光源之间距离的变化而变化。通常情况下，随着距离的增加，信号会逐渐减弱，探测器所探测到的光信号减弱。该实验暴露在日光中，设置脉冲光源与探测器距离为8、15和25cm，距离越近，所探测到的紫外光越强，距离增大一倍，其光电流下降一个量级左右。因此多项实验研究也在为提高探测距离，优化探测精度持续探索。
图10 系统搭建及电弧响应曲线 (a)基于 GaON 薄膜探测器的适于户外的电弧检测系统；(b)(c)(d) 探测器与电弧之间的距离为8、15、25 cm 时的响应曲线[26]
总结
红外与紫外探测器虽工作于不同光谱区间，但凭借感知无形辐射的核心能力，共同构成光电探测领域的两大支柱。核心参数（包括新增的外量子效率、光导增益等）界定了它们的性能边界，标准化测试方法为技术优化提供科学依据，而差异化的应用场景则推动着两类探测器持续迭代。
未来，随着二维材料、量子阱结构等新型材料与技术的发展，红外探测器将朝着室温工作、高灵敏度、小型化方向突破，紫外探测器则聚焦深紫外波段响应优化、抗干扰能力提升。相信这对 “感知双雄” 将在更多未知领域绽放光彩，为科技进步与社会发展注入源源不断的动力。
参考文献：
1.Hadek V. Charge distribution and response time for a modulation‐doped extrinsic infrared detector[J]. Journal of applied physics, 1987, 61(2): 773-776.作者简介：
赵洋，博士，副教授，河南科技大学教学标兵，光电系副主任。
学习与工作经历：
2006-2010 吉林大学电子科学与工程学院，电子信息工程专业，学士；2010-2012吉林大学电子科学与工程学院，集成电路工程专业，硕士；2012-2013 中兴通讯上海股份有限公司，工程师；2013-2016吉林大学电子科学与工程学院，微电子学与固体电子学专业，博士；2016年8月到河南科技大学物理工程学院参加工作。
教学工作：
获得河南省高等教育教学成果二等奖，河南省线上教学优秀课程一等奖，主持河南省首批专创融合特色示范课程，参与河南省教学改革研究与实践重点项目等；指导学生获“挑战杯”竞赛国家二等奖，“互联网+”竞赛省级一等奖，“创青春”竞赛省级金奖等。科研工作：
近年来在Ceramics International，Journal of Luminescence等SCI期刊发表文章20余篇，获得河南省自然科学优秀论文一等奖，主持河南省科技攻关项目、河南省高等学校重点科研项目等，出版学术专著1部，授权**2项。
13810146393
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