光电二极管

什么是光电二极管？

光电二极管是一种将光转化为电信号的电子元件。它们包含由p型和n型半导体区域形成的PN结。p型半导体是指在本征或纯半导体中加入三价杂质（如硼、铝等）而形成的半导体材料。相对而言，n型半导体是指掺入五价杂质（如磷、砷或锑）的本征半导体材料。光电二极管广泛应用于光通信、光检测与测量以及控制系统等领域。

典型光电二极管的符号表示如图1所示。

图1：光电二极管符号

光电二极管有多种类型，每种类型均针对特定应用而设计。常见的光电二极管包括：

• PN光电二极管
• PIN光电二极管 
• 雪崩光电二极管 
• 肖特基光电二极管

PN光电二极管

图2：PN光电二极管

PN光电二极管 是简单的p-n结光电二极管，通常在反向偏置下工作。它在光通信和光检测应用中被广泛使用。

PN光电二极管的工作原理

图3：PN光电二极管的工作原理

当足够能量的光子照射到p-n结时，在耗尽区内会产生电子-空穴对。这种由外部光源引起的电子-空穴对生成机制被称为光电效应。耗尽区内的电场将电子和空穴分开，使它们朝相反方向移动。因此，空穴朝向负电荷的阳极移动，而电子则朝向正电荷的阴极移动。电子和空穴的运动导致光电流的产生。当外部负载连接到设备时，观察到的电流与入射光的强度成正比。通过光电二极管的总电流是暗电流（在无光状态下产生的电流）和光电流的总和。

PIN光电二极管

图4：PIN光电二极管

PIN光电二极管是一种p-i-n光电二极管，其内层为纯硅，夹在p层和n层之间。它具有更大的耗尽区，因此展现出较低的电容和更高的速度。PIN光电二极管是一种高度灵敏且反应快速的设备，通常用于高速通信系统和光纤通信。

PIN光电二极管的工作原理

图5：PIN光电二极管的工作原理

PIN光电二极管的横截面如图5所示。PIN光电二极管在反向偏置模式下工作，形成p区和n区之间的耗尽区。当光照射到PIN光电二极管的内层时，会产生电子-空穴对。光电二极管的p型和n型层之间的耗尽区内存在的电场使电子向n型层漂移，而空穴则向p型层漂移。这导致光电二极管内有电流流动，且与入射光的强度成正比。光电二极管的内层特别设计得相对较厚，使其能够吸收更多的光，从而产生更高的信号输出。此外，光电二极管的p型和n型层通常是重掺杂的，这增加了它们的导电性并允许更快的响应时间。

雪崩光电二极管

图6：雪崩光电二极管

雪崩光电二极管是一种在超出击穿电压的反向偏置下工作的p-n结光电二极管。它表现出光载流子的内部倍增，从而实现更高的增益和灵敏度。它通常用于低光照水平的检测和光通信应用。

雪崩光电二极管的工作原理

图7：雪崩光电二极管的工作原理

雪崩光电二极管的结构与PIN光电二极管相似，具有p型层、内层和n型层。雪崩光电二极管的内层设计为具有高电场，这使得当光照射到设备时，会产生电子-空穴对的雪崩效应。这种雪崩效应产生大量的次级电子-空穴对，从而产生比PIN光电二极管更大的电信号。

雪崩效应是通过在雪崩光电二极管上施加反向偏置电压而实现的，在内层产生高电场。当光子被内层吸收时，它会产生一个电子-空穴对。如果电场足够强大，这个电子可以获得足够的能量，通过与材料中其他原子的碰撞生成额外的电子-空穴对。这个过程不断重复，产生大量的电子-空穴对，从而产生更大的电信号。

雪崩光电二极管的增益或通过雪崩过程实现的信号放大程度，由施加的偏置电压和设备的物理特性（如内层的厚度和p型与n型层的掺杂浓度）决定。雪崩光电二极管可以实现非常高的增益，达到PIN光电二极管的几百倍甚至几千倍，适用于需要高灵敏度和低噪声的应用。

肖特基光电二极管

图8：肖特基光电二极管

肖特基光电二极管是一种金属-半导体结光电二极管，具有低电容和高速特性。它通常用于高频通信和微波应用。

肖特基光电二极管的工作原理

图9：肖特基光电二极管的工作原理

肖特基光电二极管由一层金属（通常是金、铂或钨）和半导体材料（如硅或砷化镓）接触而成。当光照射到金属-半导体界面时，会产生一个电场，将半导体中的电荷载流子分开。这会产生与入射光强度成正比的光电流。

肖特基光电二极管的工作原理基于肖特基势垒，即由于金属和半导体之间的功函数差异而在金属-半导体界面形成的势垒。势垒的高度决定了光电二极管的灵敏度和速度。较高的势垒高度会导致更快的响应时间，但灵敏度较低，而较低的势垒高度则会导致更高的灵敏度，但响应时间较慢。

肖特基光电二极管相较于其他类型的光电二极管具有多个优点。它响应时间快，灵敏度高，噪声低，适用于需要高速和高精度光学检测的应用。同时，它具有较大的有效面积，能够在较宽的波长范围内检测光。

光电二极管的工作模式

• 光电二极管在光伏模式下的工作

图10：光电二极管在光伏模式下

光电二极管可以在光伏模式下工作，光伏是指使用半导体材料直接将光转化为电能。光伏模式也称为零偏置，偏置是设置光电二极管的初始工作条件（如电流和电压）。在光伏模式下，二极管产生的短路电流被测量。理想情况下，它的阻抗为0（短路）。因此，当光电二极管被光闪光照射时，会产生与光电流成正比的电压。然而，光电二极管在光伏模式下很少使用，因为在连接到高负载电阻时效率较低。因此，光电二极管通常在光导模式下工作。

• 光电二极管在光导模式下的工作

图11：光电二极管在光导模式下

在光导模式下，二极管是反向偏置的，即阴极与电池的正极相连。

在这里，入射光子在活跃区域产生电子-空穴对。在这个偏置区域中，存在内建电势，导致电子向n侧移动，空穴向p侧移动，因此载流子被电场分开，产生反向光电流。

通过施加反向偏置，响应时间减少，耗尽层（内层）扩展，降低了结的电容。这种扩展还形成了更大的电场区域，导致电子的快速收集。此外，在电子和空穴分离后，由于强电场的存在，它们不会再复合。因此，光电流与光照强度呈线性关系。

光电二极管的构造材料

只有具有足够能量的光子才能激发电子跨越材料的能带隙以产生光电流。因此，只有合适的材料可以用于制造光电二极管，以下是一些列举：

光电二极管的特性 

影响光电二极管的参数有：

光谱响应性：光电二极管的光谱响应性是其对不同波长入射光的灵敏度的度量。它是生成的光电流与入射光功率的比值，单位为A/W。

其中R(λ)是给定波长λ下的光谱响应性，I(λ)是光电二极管对波长为λ的光产生的光电流，P(λ)是波长为λ的入射光功率。

光电二极管的光谱响应性可能会因工作条件（如温度和偏置电压）而变化。

暗电流： 光电二极管的暗电流是在无光照情况下流过设备的电流。它是由背景辐射（包括太阳产生的宇宙射线）和半导体结的饱和电流产生的。这里，饱和电流是由光电二极管的耗尽区内的热生成的电子-空穴对和由于n型和p型区域中少数载流子扩散穿过耗尽区所造成的扩散电流的组合。当光电二极管用于光通信系统时，它也是一种噪声源。为了最大化设备的灵敏度，必须通过在结区域使用导电材料的保护环来最小化暗电流。

光电二极管的暗电流方程可以表达为：

其中I_d是暗电流，I_s是反向饱和电流，q是电子的电荷，V_d是二极管上的电压，k是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度

响应时间：响应时间是指设备对光输入作出反应所需的时间。它由多个因素决定，包括载流子寿命、传输时间和设备内的扩散长度。这些因素依赖于光电二极管的材料特性和工作条件（如温度和偏置电压）。光电二极管及其外部电路的电阻（R）和电容（C）引起的响应时间称为RC时间常数。

在光通信系统中，响应时间决定了信号调制的带宽和数据传输的可用性。

噪声等效功率：噪声等效功率是产生光电流所需的最小输入光功率。它依赖于多个因素，包括暗电流、响应性和设备的噪声特性，可以使用以下方程计算：

其中q是基本电荷，I_d是暗电流，k是玻尔兹曼常数，T是开尔文温度，B是电带宽，Δf是噪声等效带宽，R是光电二极管的响应性。

方程中的第一项表示由于暗电流产生的噪声，而第二项则表示由于热波动产生的噪声。噪声等效功率通常以瓦特每平方根赫兹（W/√Hz）为单位表示。

应用

光电二极管还用于控制系统中，以检测光的存在并控制设备的操作。它们用于电子设备，如激光唱片播放器和烟雾探测器。在家庭遥控器中，光电二极管用作接收编码在红外光束上的数据。它可以用作光耦合器，允许在电路之间传输信号，而无需在它们之间建立直接的金属连接，从而使其与高电压差隔离。

它们还用于医疗设备，如脉搏血氧仪，以测量血氧饱和度。

光电二极管用作光通信系统中的接收器，将光信号转化为电信号。P-n光电二极管用于光电探测器，如光导体、电荷耦合器件（CCD）和光电倍增管。它们用于生成依赖于光照的输出。

它们还用于光度计和光度计中，以测量光的强度。光电二极管用于太阳能电池，利用大面积光电二极管生成太阳能。