光電二極管

　　光電二極管（英語(yǔ)：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(hào)的光探測(cè)器。常見(jiàn)的傳統(tǒng)太陽(yáng)能電池就是通過(guò)大面積的光電二極管來(lái)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(guò)透明小窗、光導(dǎo)纖維封裝，來(lái)允許光到達(dá)這種器件的光敏感區(qū)域來(lái)檢測(cè)光信號(hào)。許多用來(lái)設(shè)計(jì)光電二極管的二極管使用了一個(gè)PIN接面，而不是一般的PN結(jié)，來(lái)增加器件對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度。光電二極管常常被設(shè)計(jì)為工作在反向偏置狀態(tài)。

工作原理

　　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)構(gòu)。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(huì)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(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(méi)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)。

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(jiàn)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(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)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(xiàng)。

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(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

　　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

　　等效噪聲功率（英語(yǔ)：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(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。

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(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(kāi)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器件。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)械器件的運(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(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：

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(jià)格低廉

6. 　　結(jié)實(shí)但自重較輕

7. 　　使用壽命長(zhǎng)

8. 　　無(wú)需高壓電源即可工作

缺點(diǎn)：

1. 　　面積太小

2. 　　沒(méi)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)

3. 　　總的來(lái)說(shuō)靈敏度更低

4. 　　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)

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

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。

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