光电探测器并不是对所有波长的光都一视同仁。同一只探测器,在900纳米处响应度很高,到了1700纳米可能几乎没有输出——这条分界线就是截止波长。它由半导体材料的禁带宽度决定,关系式是λc≈1240/Eg,其中Eg以电子伏特为单位,λc以纳米为单位。禁带越窄,能吸收的光子能量下限越低,截止波长就越长。

几种常见材料可以对照着看:硅的禁带宽度约1.12电子伏特,截止波长约1100纳米,覆盖可见光到近红外;砷化镓约1.42电子伏特,截止约870纳米;与磷化铟晶格匹配的铟镓砷约0.75电子伏特,截止约1700纳米,正好覆盖光通信的1310与1550纳米窗口;锗约0.66电子伏特,截止约1900纳米。碲镉汞的禁带宽度可以通过组分调节,截止波长能从短波红外一直做到长波红外,这是它在红外探测里不可替代的原因。

需要注意的是,截止波长附近的响应度不是断崖式归零,而是逐渐滚降。数据手册上的光谱响应曲线在截止波长附近会明显下弯,实际可用的工作波段往往要比标称截止波长再留出几十纳米余量。选型时只看峰值响应度是不够的,要看目标波长处的响应度是否落在曲线的平坦区。

短波一端同样有下限。探测器表面的窗口材料、钝化层和吸收层厚度会挡住过短波长的光,紫外探测往往需要专门的窗口与结构设计,不能直接拿普通探测器去测。

温度也会移动截止波长。禁带宽度随温度升高而减小,截止波长随之向长波方向漂移。这在精密测量里不能忽略:高温下探测器的长波响应会变好,但代价是暗电流同步上升。

选型的基本逻辑是先定波长再定材料:850纳米附近选硅,1310与1550纳米选铟镓砷,超过1700纳米考虑扩展波长铟镓砷或碲镉汞。截止波长越长的材料暗电流通常越大、制冷需求越高,这是用波长范围换来的代价,选型时要把灵敏度与噪声放在一起算。