光電二極管工作原理

光電二極管的工作曲線

一個光電二極管的基礎結構通常是一個PN結或者PIN結。當一個具有充足能量的光子沖擊到二極管上，它將激發一個電子，從而產生自由電子（同時有一個帶正電的空穴）。這樣的機制也被稱作是內光電效應。如果光子的吸收發生在結的耗盡層，則該區域的內電場將會消除其間的屏障，使得空穴能夠向著陽極的方向運動，電子向著陰極的方向運動，于是光電流就產生了。實際的光電流是暗電流和光照產生電流的綜合，因此暗電流必須被最小化來提高器件對光的靈敏度。

光電壓模式

當偏置為0時，光電二極管工作在光電壓模式，這時流出光電二極管的電流被抑制，兩端電勢差積累到一定數值。 (太陽能電池)

光電導模式

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

盡管這一模式響應速度快，但是它會引發更大的信號噪聲。一個良好PIN二極管的泄漏電流很小（小于1納安），因此負載電阻的約翰遜·奈奎斯特噪聲（Johnson–Nyquist noise）會造成較大的影響。

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光電二極管相似的結構，但是需要高得多的反向偏置電壓。這將允許光照產生的載流子通過雪崩擊穿大量增加，在光電二極管內部產生內部增益，從而進一步改善器件的響應率。

光電晶體管從根本上來說是一個雙極性晶體管被封裝在一個透明的箱子里，使得光可以到達其基極、集電極之間的結上。在基極、集電極之間的結上由光子激發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光電二極管。光電晶體管的響應時間更長。

光電二極管應用

PN結型光電二極管與其他類型的光探測器一樣，在諸如光敏電阻、感光耦合元件以及光電倍增管等設備中有著廣泛應用。它們能夠根據所受光的照度來輸出相應的模擬電信號（例如測量儀器）或者在數字電路的不同狀態間切換（例如控制開關、數字信號處理）。

光電二極管在消費電子產品，例如CD播放器、煙霧探測器以及控制電視機、空調的紅外線遙控設備中也有應用。對于許多應用產品來說，可以使用光電二極管或者其他光導材料。它們都可以被用于測量光，常常工作在照相機的測光器、路燈亮度自動調節等。

所有類型的光傳感器都可以用來檢測突發的光照，或者探測同一電路系統內部的發光。光電二極管常常和發光器件（通常是發光二極管）被合并在一起組成一個模塊，這個模塊常被稱為光電耦合元件。如果這樣就能通過分析接收到光照的情況來分析外部機械元件的運動情況（例如光斬波器）。光電二極管另外一個作用就是在模擬電路以及數字電路之間充當中介，這樣兩段電路就可以通過光信號耦合起來，這可以提高電路的安全性。

在科學研究和工業中，光電二極管常常被用來精確測量光強，因為它比其他光導材料具有更良好的線性。

在醫療應用設備中，光電二極管也有著廣泛的應用，例如X射線計算機斷層成像以及脈搏探測器。

PIN結型光電二極管一般不用來測量很低的光強。如果弱光情況下需要高靈敏度探測器，雪崩光電二極管、感光耦合元件或者光電倍增管就能發揮作用，例如天文學、光譜學、夜視設備、激光測距儀等應用產品。

與光電倍增管的比較

比光電倍增管更加優越的特性：

更好的線性

從190納米到1100納米（硅）的響應光譜范圍

低噪聲

被加固以適應機械擠壓

價格低廉

結實但自重較輕

使用壽命長

無需高壓電源即可工作

缺點：

面積太小

沒有內部增益（雪崩光電二極管除外，而且即使是雪崩光電二極管，其內部增益也通常只有102–103 ，遠低于光電倍增管的108數量級

總的來說靈敏度更低

只有具有特殊設計的產品才能對光子進行計數

許多產品設計的響應時間更慢

光電二極管性能參數

光電二極管的一些關鍵性能參數包括以下幾項。

響應率

參見：響應率

一個硅光電二極管的響應特性與突發光照波長的關系

響應率定義為光電導模式下產生的光電流與激發光照的比例，單位為安培/瓦特（A/W）。響應特性也可以表達為量子效率），即光照產生的載流子數量與激發光照光子數的比例。

暗電流

在光電導模式下，當不接受光照時，通過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體結的飽和電流。暗電流必須預先測量，特別是當光電二極管被用作精密的光功率測量時，暗電流產生的誤差必須認真考慮并加以校正。

響應時間[編輯]

一個光子被半導體材料吸收，將會產生一對電子-空穴對，并在偏壓電場的作用下分別向兩個相反的方向運動，進而產生電流。電流產生時間受到載流子渡越時間限制，可通過Ramo定理進行估算。同時，光電二極管的電阻和電容與外電流產生另一個時間響應，稱為RC時間常數。RC進一步延遲了器件的響應。在光通信系統中，器件的響應時間決定了可接受光信號的調制頻率。

等效噪聲功率[編輯]

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

當光電二極管被用在光通信系統中時，這些參數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于產品屬性至關重要，因為只有具備充足能量光子能夠激發電子穿過能隙，從而產生顯著的光電流。

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，因此它在應用過程中產生的信號噪聲比鍺光電二極管小。

光電二極管組

一個由上千個光電二極管組成的一維管組可以用來構成位置傳感器、角度傳感器。

光電二極管種類

PN型

特性：優點是暗電流小，一般情況下，響應速度較低。

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

PIN型

特性：缺點是暗電流大，因結容量低，故可獲得快速響應。

用途：高速光的檢測、光通信、光纖、遙控、光電三極管、寫字筆、傳真。

發射鍵型

特性：使用Au薄膜與N型半導體結代替P型半導體

用途：主要用于紫外線等短波光的檢測

雪崩型

特性：響應速度非常快，因具有倍速作用，故可檢測微弱光。

用途：高速光通信、高速光檢測

光電二極管介紹

原理

普通二極管在反向電壓作用時處于截止狀態，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相對較大，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，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件。

檢測方法

①電阻測量法

用萬用表1k擋。光電二極管正向電阻約10MΩ左右。在無光照情況下，反向電阻為∞時，這管子是好的(反向電阻不是∞時說明漏電流大)；有光照時，反向電阻隨光照強度增加而減小，阻值可達到幾kΩ或1kΩ以下，則管子是好的；若反向電阻都是∞或為零，則管子是壞的。

②電壓測量法

用萬用表1V檔。用紅表筆接光電二極管“+”極，黑表筆接“—”極，在光照下，其電壓與光照強度成比例，一般可達0．2—0．4V。

③短路電流測量法

用萬用表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，其電流增加是好的，短路電流可達數十至數百μA。

在實際工作中，有時需要區別是紅外發光二極管，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區別。紅外發光二極管管芯下有一個淺盤，而光電二極管和光電三極管則沒有；若管子尺寸過小或黑色樹脂封裝的，則可用萬用表(置1k擋) 來測量電阻。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。

主要技術參數

1.最高反向工作電壓；

2.暗電流；

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

3.光電流；

4.靈敏度；

5.結電容；

6.正向壓降；

7.響應度

響應度是光生電流與產生該事件光功率的比。工作于光導模式時的典型表達為A/W。響應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的輸入功率。

9.頻率響應特性

光電二極管的頻率特性響應主要由3個因素決定：

a.光生載流子在耗盡層附近的擴散時間；

b.光生載流子在耗盡層內的漂移時間；

c.負載電阻與并聯電容所決定的電路時間常數。

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、量子效率高（典型值為80%）及無需高電壓等優點，且頻率特效好，適宜于快速變化的光信號探測。不足是面積小、無內部增益（雪崩光電管的增益可達100~1000，光電倍增管的增益則可達100000000）、靈敏度較低（只有特別設計后才能進行光子計數）以及相應時間慢，且工藝要求很高。

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