光電二極管

　　光電二極管（英語：photodiode）是一種能夠?qū)⒐飧鶕?jù)使用方式，轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號的光探測器。常見的傳統(tǒng)太陽能電池就是通過大面積的光電二極管來產(chǎn)生電能。

　　光電二極管與常規(guī)的半導(dǎo)體二極管基本相似，只是光電二極管可以直接暴露在光源附近或通過透明小窗、光導(dǎo)纖維封裝，來允許光到達(dá)這種器件的光敏感區(qū)域來檢測光信號。許多用來設(shè)計光電二極管的二極管使用了一個PIN接面，而不是一般的PN結(jié)，來增加器件對信號的響應(yīng)速度。光電二極管常常被設(shè)計為工作在反向偏置狀態(tài)。

工作原理

　　一個光電二極管的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常是一個PN結(jié)或者PIN結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個具有充足能量的光子沖擊到二極管上，它將激發(fā)一個電子，從而產(chǎn)生自由電子（同時有一個帶正電的空穴）。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(chǎn)生了。實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提高器件對光的靈敏度。

光電壓模式

　　當(dāng)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(shù)值。(太陽能電池)

光電導(dǎo)模式

　　當(dāng)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(yīng)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(jié)電容，同樣使得響應(yīng)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(guān)系。

　　盡管這一模式響應(yīng)速度快，但是它會引發(fā)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(fù)載電阻的約翰遜·奈奎斯特噪聲（Johnson–Nyquistnoise）會造成較大的影響。

其他工作模式

　　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(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光電二極管。光電晶體管的響應(yīng)時間更長。

材料

　　用于制作光電二極管的材料對于產(chǎn)品屬性至關(guān)重要，因為只有具備充足能量光子能夠激發(fā)電子穿過能隙，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：

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

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。

響應(yīng)率

　　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，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(dǎo)體結(jié)的飽和電流。暗電流必須預(yù)先測量，特別是當(dāng)光電二極管被用作精密的光功率測量時，暗電流產(chǎn)生的誤差必須認(rèn)真考慮并加以校正。

響應(yīng)時間

　　一個光子被半導(dǎo)體材料吸收，將會產(chǎn)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(jìn)而產(chǎn)生電流。電流產(chǎn)生時間受到載流子渡越時間限制，可通過Ramo定理進(jìn)行估算。同時，光電二極管的電阻和電容與外電流產(chǎn)生另一個時間響應(yīng)，稱為RC時間常數(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)時間決定了可接受光信號的調(diào)制頻率。

等效噪聲功率

　　等效噪聲功率（英語：Noise-equivalentpower,NEP）是指能夠產(chǎn)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(guān)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(shù)。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(dāng)光電二極管被用在光通信系統(tǒng)中時，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。

應(yīng)用

　　PN結(jié)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、感光耦合器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)所受光的照度來輸出相應(yīng)的模擬電信號（例如測量儀器）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)字信號處理）。

　　光電二極管在消費電子產(chǎn)品，例如CD播放器、煙霧探測器以及控制電視機(jī)、空調(diào)的紅外線遙控設(shè)備中也有應(yīng)用。對于許多應(yīng)用產(chǎn)品來說，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量光，常常工作在照相機(jī)的測光器、路燈亮度自動調(diào)節(jié)等。

　　所有類型的光傳感器都可以用來檢測突發(fā)的光照，或者探測同一電路系統(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模塊，這個模塊常被稱為光電耦合器件。如果這樣就能通過分析接收到光照的情況來分析外部機(jī)械器件的運動情況（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(shù)字電路之間充當(dāng)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(xué)研究和工業(yè)中，光電二極管常常被用來精確測量光強(qiáng)，因為它比其他光導(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射線計算機(jī)斷層成像以及脈搏探測器。

　　PIN結(jié)型光電二極管一般不用來測量很低的光強(qiáng)。如果弱光情況下需要高靈敏度探測器，雪崩光電二極管、感光耦合器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：

1. 　　更好的線性

2. 　　從190納米到1100納米（硅）的響應(yīng)光譜范圍

3. 　　低噪聲

4. 　　被加固以適應(yīng)機(jī)械擠壓

5. 　　價格低廉

6. 　　結(jié)實但自重較輕

7. 　　使用壽命長

8. 　　無需高壓電源即可工作

缺點：

1. 　　面積太小

2. 　　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

3. 　　總的來說靈敏度更低

4. 　　只有具有特殊設(shè)計的產(chǎn)品才能對光子進(jìn)行計數(shù)

5. 　　許多產(chǎn)品設(shè)計的響應(yīng)時間更慢

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(gòu)成位置傳感器、角度傳感器。

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