光電二極管工作原理

光電二極管的工作曲線

一個(gè)光電二極管的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)PN結(jié)或者PIN結(jié)。當(dāng)一個(gè)具有充足能量的光子沖擊到二極管上，它將激發(fā)一個(gè)電子，從而產(chǎn)生自由電子（同時(shí)有一個(gè)帶正電的空穴）。這樣的機(jī)制也被稱作是內(nèi)光電效應(yīng)。如果光子的吸收發(fā)生在結(jié)的耗盡層，則該區(qū)域的內(nèi)電場(chǎng)將會(huì)消除其間的屏障，使得空穴能夠向著陽(yáng)極的方向運(yùn)動(dòng)，電子向著陰極的方向運(yùn)動(dòng)，于是光電流就產(chǎn)生了。實(shí)際的光電流是暗電流和光照產(chǎn)生電流的綜合，因此暗電流必須被最小化來(lái)提高器件對(duì)光的靈敏度。

光電壓模式

當(dāng)偏置為0時(shí)，光電二極管工作在光電壓模式，這時(shí)流出光電二極管的電流被抑制，兩端電勢(shì)差積累到一定數(shù)值。 (太陽(yáng)能電池)

光電導(dǎo)模式

當(dāng)工作在這一模式時(shí)，光電二極管常常被反向偏置，急劇的降低了其響應(yīng)時(shí)間，但是噪聲不得不增加作為代價(jià)。同時(shí)，耗盡層的寬度增加，從而降低了結(jié)電容，同樣使得響應(yīng)時(shí)間減少。反向偏置會(huì)造成微量的電流（飽和電流），這一電流與光電流同向。對(duì)于指定的光譜分布，光電流與入射光照度之間呈線性比例關(guān)系。

盡管這一模式響應(yīng)速度快，但是它會(huì)引發(fā)更大的信號(hào)噪聲。一個(gè)良好PIN二極管的泄漏電流很?。ㄐ∮?納安），因此負(fù)載電阻的約翰遜·奈奎斯特噪聲（Johnson–Nyquist noise）會(huì)造成較大的影響。

其他工作模式

參見：雪崩光電二極管

雪崩光電二極管具有和常規(guī)光電二極管相似的結(jié)構(gòu)，但是需要高得多的反向偏置電壓。這將允許光照產(chǎn)生的載流子通過(guò)雪崩擊穿大量增加，在光電二極管內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)部增益，從而進(jìn)一步改善器件的響應(yīng)率。

光電晶體管從根本上來(lái)說(shuō)是一個(gè)雙極性晶體管被封裝在一個(gè)透明的箱子里，使得光可以到達(dá)其基極、集電極之間的結(jié)上。在基極、集電極之間的結(jié)上由光子激發(fā)的電子被注入到基極，這光電流被晶體管以增益β放大。如果射極沒有連接，則光電晶體管就成為了一個(gè)光電二極管。光電晶體管的響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)。

光電二極管應(yīng)用

PN結(jié)型光電二極管與其他類型的光探測(cè)器一樣，在諸如光敏電阻、感光耦合元件以及光電倍增管等設(shè)備中有著廣泛應(yīng)用。它們能夠根據(jù)所受光的照度來(lái)輸出相應(yīng)的模擬電信號(hào)（例如測(cè)量?jī)x器）或者在數(shù)字電路的不同狀態(tài)間切換（例如控制開關(guān)、數(shù)字信號(hào)處理）。

光電二極管在消費(fèi)電子產(chǎn)品，例如CD播放器、煙霧探測(cè)器以及控制電視機(jī)、空調(diào)的紅外線遙控設(shè)備中也有應(yīng)用。對(duì)于許多應(yīng)用產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可以使用光電二極管或者其他光導(dǎo)材料。它們都可以被用于測(cè)量光，常常工作在照相機(jī)的測(cè)光器、路燈亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)等。

所有類型的光傳感器都可以用來(lái)檢測(cè)突發(fā)的光照，或者探測(cè)同一電路系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)光。光電二極管常常和發(fā)光器件（通常是發(fā)光二極管）被合并在一起組成一個(gè)模塊，這個(gè)模塊常被稱為光電耦合元件。如果這樣就能通過(guò)分析接收到光照的情況來(lái)分析外部機(jī)械元件的運(yùn)動(dòng)情況（例如光斬波器）。光電二極管另外一個(gè)作用就是在模擬電路以及數(shù)字電路之間充當(dāng)中介，這樣兩段電路就可以通過(guò)光信號(hào)耦合起來(lái)，這可以提高電路的安全性。

在科學(xué)研究和工業(yè)中，光電二極管常常被用來(lái)精確測(cè)量光強(qiáng)，因?yàn)樗绕渌鈱?dǎo)材料具有更良好的線性。

在醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備中，光電二極管也有著廣泛的應(yīng)用，例如X射線計(jì)算機(jī)斷層成像以及脈搏探測(cè)器。

PIN結(jié)型光電二極管一般不用來(lái)測(cè)量很低的光強(qiáng)。如果弱光情況下需要高靈敏度探測(cè)器，雪崩光電二極管、感光耦合元件或者光電倍增管就能發(fā)揮作用，例如天文學(xué)、光譜學(xué)、夜視設(shè)備、激光測(cè)距儀等應(yīng)用產(chǎn)品。

與光電倍增管的比較

比光電倍增管更加優(yōu)越的特性：

更好的線性

從190納米到1100納米（硅）的響應(yīng)光譜范圍

低噪聲

被加固以適應(yīng)機(jī)械擠壓

價(jià)格低廉

結(jié)實(shí)但自重較輕

使用壽命長(zhǎng)

無(wú)需高壓電源即可工作

缺點(diǎn)：

面積太小

沒有內(nèi)部增益（雪崩光電二極管除外，而且即使是雪崩光電二極管，其內(nèi)部增益也通常只有102–103 ，遠(yuǎn)低于光電倍增管的108數(shù)量級(jí)

總的來(lái)說(shuō)靈敏度更低

只有具有特殊設(shè)計(jì)的產(chǎn)品才能對(duì)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)

許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)的響應(yīng)時(shí)間更慢

光電二極管性能參數(shù)

光電二極管的一些關(guān)鍵性能參數(shù)包括以下幾項(xiàng)。

響應(yīng)率

參見：響應(yīng)率

一個(gè)硅光電二極管的響應(yīng)特性與突發(fā)光照波長(zhǎng)的關(guān)系

響應(yīng)率定義為光電導(dǎo)模式下產(chǎn)生的光電流與激發(fā)光照的比例，單位為安培/瓦特（A/W）。響應(yīng)特性也可以表達(dá)為量子效率），即光照產(chǎn)生的載流子數(shù)量與激發(fā)光照光子數(shù)的比例。

暗電流

在光電導(dǎo)模式下，當(dāng)不接受光照時(shí)，通過(guò)光電二極管的電流被定義為暗電流。暗電流包括了輻射電流以及半導(dǎo)體結(jié)的飽和電流。暗電流必須預(yù)先測(cè)量，特別是當(dāng)光電二極管被用作精密的光功率測(cè)量時(shí)，暗電流產(chǎn)生的誤差必須認(rèn)真考慮并加以校正。

響應(yīng)時(shí)間[編輯]

一個(gè)光子被半導(dǎo)體材料吸收，將會(huì)產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì)，并在偏壓電場(chǎng)的作用下分別向兩個(gè)相反的方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生電流。電流產(chǎn)生時(shí)間受到載流子渡越時(shí)間限制，可通過(guò)Ramo定理進(jìn)行估算。同時(shí)，光電二極管的電阻和電容與外電流產(chǎn)生另一個(gè)時(shí)間響應(yīng)，稱為RC時(shí)間常數(shù)。RC進(jìn)一步延遲了器件的響應(yīng)。在光通信系統(tǒng)中，器件的響應(yīng)時(shí)間決定了可接受光信號(hào)的調(diào)制頻率。

等效噪聲功率[編輯]

等效噪聲功率（英語(yǔ)：Noise-equivalent power, NEP）是指能夠產(chǎn)生光電流所需的最小光功率，與1赫茲時(shí)的噪聲功率均方根值相等。與此相關(guān)的一個(gè)特性被稱作是探測(cè)能力（detectivity, D），它等于等效噪聲功率的倒數(shù)。等效噪聲功率大約等于光電二極管的最小可探測(cè)輸入功率。

當(dāng)光電二極管被用在光通信系統(tǒng)中時(shí)，這些參數(shù)直接決定了光接收器的靈敏度，即獲得指定比特誤碼率的最小輸入功率。

光電二極管材料

用于制作光電二極管的材料對(duì)于產(chǎn)品屬性至關(guān)重要，因?yàn)橹挥芯邆涑渥隳芰抗庾幽軌蚣ぐl(fā)電子穿過(guò)能隙，從而產(chǎn)生顯著的光電流。

下表包括了用于制造光電二極管的常見材料：

材料 電磁波譜

波長(zhǎng)范圍（納米）

硅 190–1100

鍺 400–1700

砷化銦鎵 800–2600

硫化鉛 <1000–3500

由于硅光電二極管具有更大的能隙，因此它在應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)噪聲比鍺光電二極管小。

光電二極管組

一個(gè)由上千個(gè)光電二極管組成的一維管組可以用來(lái)構(gòu)成位置傳感器、角度傳感器。

光電二極管種類

PN型

特性：優(yōu)點(diǎn)是暗電流小，一般情況下，響應(yīng)速度較低。

用途：照度計(jì)、彩色傳感器、光電三極管、線性圖像傳感器、分光光度計(jì)、照相機(jī)曝光計(jì)。

PIN型

特性：缺點(diǎn)是暗電流大，因結(jié)容量低，故可獲得快速響應(yīng)。

用途：高速光的檢測(cè)、光通信、光纖、遙控、光電三極管、寫字筆、傳真。

發(fā)射鍵型

特性：使用Au薄膜與N型半導(dǎo)體結(jié)代替P型半導(dǎo)體

用途：主要用于紫外線等短波光的檢測(cè)

雪崩型

特性：響應(yīng)速度非?？?，因具有倍速作用，故可檢測(cè)微弱光。

用途：高速光通信、高速光檢測(cè)

光電二極管介紹

原理

普通二極管在反向電壓作用時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過(guò)微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。

檢測(cè)方法

①電阻測(cè)量法

用萬(wàn)用表1k擋。光電二極管正向電阻約10MΩ左右。在無(wú)光照情況下，反向電阻為∞時(shí)，這管子是好的(反向電阻不是∞時(shí)說(shuō)明漏電流大)；有光照時(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度增加而減小，阻值可達(dá)到幾kΩ或1kΩ以下，則管子是好的；若反向電阻都是∞或?yàn)榱?，則管子是壞的。

②電壓測(cè)量法

用萬(wàn)用表1V檔。用紅表筆接光電二極管“+”極，黑表筆接“—”極，在光照下，其電壓與光照強(qiáng)度成比例，一般可達(dá)0．2—0．4V。

③短路電流測(cè)量法

用萬(wàn)用表50μA檔。用紅表筆接光電二極管“+”極，黑表筆接“—”極，在白熾燈下(不能用日光燈)，隨著光照增強(qiáng)，其電流增加是好的，短路電流可達(dá)數(shù)十至數(shù)百μA。

在實(shí)際工作中，有時(shí)需要區(qū)別是紅外發(fā)光二極管，還是紅外光電二極管(或者是光電三極管)。其方法是：若管子都是透明樹脂封裝，則可以從管芯安裝外來(lái)區(qū)別。紅外發(fā)光二極管管芯下有一個(gè)淺盤，而光電二極管和光電三極管則沒有；若管子尺寸過(guò)小或黑色樹脂封裝的，則可用萬(wàn)用表(置1k擋) 來(lái)測(cè)量電阻。用手捏住管子(不讓管子受光照)，正向電阻為20-40kΩ，而反向電阻大于200kΩ的是紅外發(fā)光二極管；正反向電阻都接近∞的是光電三極管；正向電阻在10k左右，反向電阻接近∞的是光電二極管。

主要技術(shù)參數(shù)

1.最高反向工作電壓；

2.暗電流；

dark current 也稱無(wú)照電流光電耦合器的輸出特性是指在一定的發(fā)光電流IF下，光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關(guān)系，當(dāng)IF=0時(shí)，發(fā)光二極管不發(fā)光，此時(shí)的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流，一般很小。 此外在生理學(xué)方面，是指在無(wú)光照時(shí)視網(wǎng)膜視桿細(xì)胞的外段膜上有相當(dāng)數(shù)量的Na離子通道處于開放狀態(tài)，故Na離子進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，形成一個(gè)從外段流向內(nèi)段的電流，稱為暗電流（dark current）。 暗電流是指器件在反偏壓條件下,沒有入射光時(shí)產(chǎn)生的反向直流電流.(它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流.) 所謂暗電流指的是光伏電池在無(wú)光照時(shí)，由外電壓作用下P-N結(jié)內(nèi)流過(guò)的單向電流。 光電倍增管在無(wú)輻射作用下的陽(yáng)極輸出電流稱為暗電流

3.光電流；

4.靈敏度；

5.結(jié)電容；

6.正向壓降；

7.響應(yīng)度

響應(yīng)度是光生電流與產(chǎn)生該事件光功率的比。工作于光導(dǎo)模式時(shí)的典型表達(dá)為A/W。響應(yīng)度也常用量子效率表示，即光生載流子與引起事件光子的比。

8.噪聲等效功率

噪聲等效功率（NEP）等效于1赫茲帶寬內(nèi)均方根噪聲電流所需的最小輸入輻射功率，是光電二極管最小可探測(cè)的輸入功率。

9.頻率響應(yīng)特性

光電二極管的頻率特性響應(yīng)主要由3個(gè)因素決定：

a.光生載流子在耗盡層附近的擴(kuò)散時(shí)間；

b.光生載流子在耗盡層內(nèi)的漂移時(shí)間；

c.負(fù)載電阻與并聯(lián)電容所決定的電路時(shí)間常數(shù)。

光電二極管與光電倍增管相比，具有電流線性良好、成本低、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、量子效率高（典型值為80%）及無(wú)需高電壓等優(yōu)點(diǎn)，且頻率特效好，適宜于快速變化的光信號(hào)探測(cè)。不足是面積小、無(wú)內(nèi)部增益（雪崩光電管的增益可達(dá)100~1000，光電倍增管的增益則可達(dá)100000000）、靈敏度較低（只有特別設(shè)計(jì)后才能進(jìn)行光子計(jì)數(shù)）以及相應(yīng)時(shí)間慢，且工藝要求很高。

光電二極管和一般的半導(dǎo)體二極管相似，可以暴露（探測(cè)真空紫外）或用窗口封裝或由光纖連接來(lái)感光。