光电二极管的工作原理及其应用特性

光电二极管是一种PN结二极管，它主要消耗光能以产生电流，有时也被称为光电探测器、光探测器和光电传感器。这些二极管专门设计用于在反向偏置条件下工作，这意味着光电二极管的P侧与电池的负极相连，而n侧与电池的正极相连。

光电二极管对光非常敏感，因此当光落在二极管上时，它很容易将光变成电流。太阳能电池也被称为大面积光电二极管，因为它将太阳能转换为电能。不过，太阳能电池只能在强光下工作。

光电二极管的概念

光电二极管是一种光检测器，用于根据设备的操作模式将光转换为电流或电压，它包括滤光片、内置透镜以及表面区域。当光电二极管的表面积增加时，这些二极管的响应时间很慢。光电二极管与普通的半导体二极管类似，但它们是可见的，可以让光线到达设备的精密部分。完全用作光电二极管的二极管使用的是PIN结，而不是通常的PN结。

有一些光电二极管看起来像一个发光二极管，它们有两个终端来自末端。二极管较小的一端是阴极端，而二极管的较长端是阳极端。在正向偏置条件下，常规电流将按照二极管符号中的箭头从阳极流向阴极。光电流反向流动。

光电二极管的类型

尽管市场上有多种类型的光电二极管，它们都按照相同的基本原理工作，但有些通过其他效果得到了改进。不同类型的光电二极管的工作方式略有不同，但这些二极管的基本操作保持不变。光电二极管的类型可以根据它们的结构和功能进行如下分类。

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

PN光电二极管；最早开发的光电二极管类型是PN型。与其它类型相比，它的性能并不先进，但目前已在多种应用中使用。

PIN光电二极管；目前最常用的光电二极管是PIN型。与标准PN光电二极管相比，该二极管更强大地收集光子，因为P和N区域之间的宽本征区域允许收集更多的光，除此之外，它还提供更低的电容。

雪崩光电二极管；由于其高增益水平，这种二极管用于低光照区域。它会产生高水平的噪音。所以这项技术并不适用于所有应用。

肖特基光电二极管；它包括一个小的二极管结，这意味着结电容很小，因此可以高速运行。因此，这种光电二极管经常用于高带宽 (BW) 光通信系统，如光纤链路。

其实，每种类型的光电二极管都有其自身的优点和缺点。该二极管的选择可以根据应用进行。选择光电二极管时要考虑的不同参数包括噪声、波长、反向偏置约束、增益等。

光电二极管的性能参数包括响应度、量子效率、传输时间或响应时间。这些二极管广泛用于需要检测光的存在、颜色、位置和强度的应用，其主要特点是：

• 对入射光的线性度很好
• 噪音低
• 宽谱响应
• 机械坚固
• 轻巧紧凑
• 使用时间长

制作光电二极管所需的材料和电磁波谱波长范围如下：

• 对于硅材料，电磁光谱波长范围为（190-1100）nm
• 对于锗材料，电磁光谱波长范围为（400-1700）nm
• 对于砷化铟镓材料，电磁光谱波长范围为（800-2600）nm
• 对于铅 (II) 硫化物材料，电磁光谱波长范围为 <1000-3500) nm
• 对于汞、碲化镉材料，电磁光谱波长范围为（400-14000）nm

光电二极管的构造

光电二极管由两种半导体制成，如P型和N型。在该设计中，P型材料的形成可以通过轻掺杂的P型衬底的扩散来完成。因此，可以通过扩散法形成P+离子层。在N型衬底上，可以生长N型外延层。

P+扩散层的开发可以在重掺杂的N型外延层上进行。触点采用金属设计，可制成阳极和阴极等两个端子。二极管的前部区域可以分为两种类型，例如有源表面和无源表面。

非活性表面的设计可以用二氧化硅 (SiO2) 完成。在活动表面上，光线可以照射在其上，而在非活动表面上，光线不能照射。通过抗反射材料覆盖活性表面，使光的能量不会损失，最高可以转化为电流。

光电二极管的工作原理

光电二极管的工作原理是，当一个能量充足的光子撞击二极管时，会产生一对电子空穴。这种机制也称为内光电效应。如果在耗尽区结中出现吸收，则载流子被耗尽区的内置电场从结中去除。

因此，该区域的空穴向阳极移动，电子向阴极移动，就会产生光电流。通过二极管的全部电流是无光和光电流之和。因此，必须减少缺席电流以最大限度地提高设备的灵敏度。

光电二极管的运作模式

光电二极管的工作模式主要包括三种，即光伏模式、光电导模式、雪崩二极管模式。

光伏模式：这种模式也称为零偏压模式，其中电压由发光的光电二极管产生，它给出了一个非常小的动态范围和所形成电压的非线性必要性。

光电导模式：在这种光电导模式中使用的光电二极管通常是反向偏置的。施加反向电压会增加耗尽层的宽度，从而降低响应时间和结电容，此模式太快并显示电子噪音。

雪崩二极管模式：雪崩二极管在高反向偏置条件下工作，这允许雪崩击穿倍增到每个光电产生的电子-空穴对。该结果是光电二极管的内部增益，它会缓慢增加设备响应。

光电二极管的VI特性

光电二极管在反向偏置条件下工作，反向电压以伏特为单位沿X轴绘制，反向电流以微安为单位沿Y轴绘制。反向电流不依赖于反向电压。当没有光照时反向电流几乎为零。存在的最小电流量称为暗电流。一旦光照度增加，反向电流也线性增加，其VI特性如下所示：

光电二极管电路

光电二极管的电路图如下所示，该电路可以用一个10k电阻器和光电二极管构建。一旦光电二极管注意到光线，它就会允许一些电流通过它。通过该二极管提供的电流总和可以与通过二极管观察到的光的总和成正比。

光电二极管量子效率

光电二极管的量子效率可以定义为贡献给光电流的吸收光子的除法，对于这些二极管，它与响应度“S”公开相关，不受雪崩影响，则光电流可以表示为：

I =S P= ηe/hv . P

其中：

'η' 是量子效率

'e' 是电子的电荷

'hν' 是光子的能量

光电二极管的量子效率非常高，在某些情况下，它会高于95%，但会随着波长发生很大变化。除了像抗反射涂层这样的高内部效率外，高量子效率还需要控制反射。

PIN光电二极管与PN光电二极管

PN和PIN等光电二极管在市场上应该较为广泛。在根据所需性能和特性设计电路时，光电二极管的选择非常重要。

PN光电二极管不能在反向偏压下工作，因此更适合用于弱光应用以增强噪声性能。

工作在反向偏置的PIN光电二极管会引入噪声电流以降低S/N比，对于高动态范围的应用，反向偏置将提供良好的性能，对于高BW应用，反向偏置将提供良好的性能，如电容之间的电容P＆N的区域和电荷容量的存储小。

光电二极管的优势

• 阻力小
• 快速和高运行速度
• 寿命长
• 最快的光电探测器
• 光谱响应很好
• 不使用高压
• 频率响应很好
• 坚固且重量轻
• 它对光线非常敏感
• 暗电流较小
• 高量子效率
• 噪音小

光电二极管的缺点

• 温度稳定性差
• 电流内的变化极小，因此可能不足以驱动电路
• 活动区域很小。
• 通常的PN结光电二极管包括高响应时间
• 灵敏度较低。
• 主要取决于温度
• 使用偏移电压

光电二极管的主要应用

• 用于消费电子设备，如烟雾探测器、CD播放器以及VCR中的电视机和遥控器。
• 在时钟收音机、照相机测光表和路灯等其他消费类设备中，光电导体比光电二极管更常用。
• 经常用于精确测量科学和工业中的光强度。通常，它们比光电导体具有增强的、更线性的响应。
• 广泛用于许多医疗应用中，例如用于分析样品的仪器、用于计算机断层扫描的检测器，并且还用于血气监测仪。
• 光电二极管比普通的PN结二极管更快更复杂，因此经常用于照明调节和光通信。

总结

这就是光电二极管的工作原理、特性和应用。其实，诸如光电二极管之类的光电设备有不同类型，几乎用于所有电子设备。这些二极管用于红外光源，如霓虹灯、激光 LED 和荧光灯。不过，与其他光检测二极管相比，光电二极管的价格并不昂贵。