光电二极管的基础知识

导语

光电二极管是一种基于半导体的光传感器或光传感器，用于检测和测量光的强度。它用于基于光的应用，并利用光来控制各种其他电气设备。本文详细介绍了光电二极管及其各种类型的所有基础知识。

#1 什么是光电二极管？

光电二极管是一种将光能转换成电能的二极管。它本质上是一个光传感器，当光线照射到它上时，它会产生电流。它也被称为光探测器、光传感器或光传感器。光能转化为电能的现象称为光伏效应。太阳能电池或太阳能板由一组光电二极管(也称为光伏电池)组成，它们将太阳能转化为电流。

它是由PN结制成的半导体器件。P型半导体和N型半导体材料通过在它们之间附加的本征层连接在一起。它被设计为在反向偏置条件下工作，即光电二极管的P侧连接到负极，而N侧连接到电池的正极。

用于制造光电二极管的材料有但不限于硅、锗、砷化铟镓。材料类型和掺杂浓度决定了光电二极管的响应时间、灵敏度、击穿电压、暗电流和成本效益等性能参数。

它有一个高度敏感的结，或者在某些情况下，当光照射在它上面时产生电子-空穴对的本征区域。使用窗口透镜来照射入射光。产生的电流与落在上面的光的强度成正比。这种现象被称为光伏效应。

#2 光电二极管符号

光电二极管的符号完全像LED发光二极管，光线照在上面，如下图所示。

它有阳极和阴极两个端子。阳极是较长的端子，而阴极是较短的端子。

#3 结构

一个典型的光电二极管是由两层P型和N型半导体连接在一起形成PN结。由于它是一个光传感器，接合处被玻璃或光学透镜覆盖，从而暴露在光线下。透镜增加表面积以收集更多的光并增加其强度。光电二极管的剩余部分覆盖一层黑色或金属化层。光电二极管的结构如下所示。

如图所示为典型PN光电二极管的横截面结构。它由P和N两层接合而成，P型材料轻掺杂，N型材料重掺杂。由于(+)离子从P型材料的移动和(-)离子从N型材料的移动，这两层的连接形成了一个区域。这个区域没有任何载流子。然而，在这个耗尽区有一个电场。当电子-空穴对产生时，这个电场只负责一个方向的电流流动。这就是为什么光电二极管是反向偏置或完全不偏置的原因。正向偏置可能永久性地损坏光电二极管。P+活性区域覆盖有抗反射AR层或玻璃，而其余的主体则是金属化或涂成黑色。金属触点用于阴极和阳极。

二极管的正面可分为有源区和非有源区。顾名思义，有源区域是光能转化为电能的区域，因此，它被抗反射材料覆盖，以最大限度地吸收落在它上面的光。非活性区被SiO2层覆盖。

#4 光电二极管的工作原理

PN光电二极管类似于传统的PN结二极管。当PN结二极管反向偏置时，耗尽区变宽。产生少数载流子，构成二极管的反向电流。反向电流与施加的反向电压成正比。

类似地，在光电二极管中，在耗尽区存在内置电位差。当足够能量(hv)大于能隙(Eg)的光线或光子落在光电二极管的连接处时，它将电子从其价带移出或移出到导带。电子留下一个空穴，这样就产生了电子-空穴对。这种现象也被称为内光伏效应。在内置电场的作用下，电子和空穴向相反方向运动，即电子向阴极运动，空穴向阳极运动。这种电流称为光电流，它与入射光的强度成正比。

在光电二极管中，即使没有光源或光子落在其结上，仍然有电流。这种电流被称为暗电流。以微安计，它是极小的。它类似于任何传统PN结二极管的泄漏电流。这是反向偏置中不需要的电流，它直接随温度变化，必须减少以增加光电二极管的灵敏度。任何光电二极管的总电流是光电流和暗电流的总和。

#5 光电二极管的模式

光电二极管可以在以下三种模式下工作：

● 光伏模式

● 光电导模式

● 雪崩二极管模式

1光伏模式

这种模式也被称为零偏置模式，因为没有偏置或外部电压源连接到光电二极管。当光或光子到达耗尽区时，产生电子-空穴对，在内置电场的影响下，电子-空穴对向相反方向远离结。因此，如果它连接在一个闭合电路中，就会产生电流;如果它是一个开路电路，就会在阴极和阳极之间产生电位差。

在开路的情况下，与落在有源区域上的光强成比例的正向电压在其阳极和阴极上产生。当阳极电位大于阴极电位时，该电压处于正偏置模式。

在闭合电路的情况下，正向电流流过电路。这个正向电流等于光电流和暗电流之和。这种现象被称为光伏效应，它主要负责太阳能电池的运行。

光伏模式以非线性电压提供低电平电流变化(低动态范围)。它用于低频率应用和低亮度。这种模式具有低电子噪声。但它有一个缓慢的响应时间，由于最大的结电容由于一个无偏系统。

2光电导模式

在光导模式下，光电二极管反向偏置，即其阳极与电池的负极连接，阴极与电池的正极连接，或者阴极相对于阳极具有更高的电位。因此，这种模式也被称为反向偏置模式。

由于反向偏压的存在，损耗区随着反向电压的增加而扩大并直接变化。由于面积大，更多的载流子从结处更快地收集。它还减少了结的电容，从而产生更快的响应时间。

在光导模式下，除了光电流外，还有一种反向的电流称为暗电流。暗电流是由于在没有光的情况下反向偏压造成的。它在很大程度上取决于温度，并与温度直接变化。它还取决于材料的类型和光电二极管的有源区域。这是一种产生电噪声的不需要的电流。

3雪崩模式

在雪崩模式下，光电二极管与高反向偏置电压相连。高反向电压增加了耗尽宽度和横跨它的电势。由于高电位，电子-空穴对以最大速度流动，在其路径上撞击更多的原子，从而产生更多的光电流。因此，雪崩模式具有较高的内部增益和响应性。

#6 光电二极管电路

当光电二极管用于外部电路时，它主要用于反向偏置条件。正极与负极或地连接，光电二极管的正极与电池的正极连接，如下图所示。

光电二极管不能为任何电子设备供电，因为它自身产生的电流非常小。因此，使用电源来增加提供给负载的电流。

#7 光电二极管的量子效率

量子效率是入射光子被光电二极管吸收并产生电子的比例。换句话说，量子效率被定义为入射光子中产生光电流的部分。它与响应度成正比。

利用增透涂层减少反射，可以使量子效率最大化。它在很大程度上取决于入射光的波长。量子效率可高达95%。

#8 性能参数

光电二极管的性能主要取决于以下参数：

1响应时间

光电二极管的响应时间可以定义为电荷载流子穿过结的时间。它在很大程度上取决于结的电容。而结电容取决于结的宽度。结宽越大，电容越小，响应时间越短。为了提供更好的性能，响应时间保持在最小。

2反应性

响应度是入射光产生的光电流与入射光的实际功率之比。响应度单位为A/W(电流/功率)。响应性保持较高以提供更好的性能。

3暗电流

暗电流是指在没有光的情况下，光电二极管中反向偏置的电流。它类似于传统PN结二极管的反向漏电流。它非常小，通常用微安来测量。然而，在无偏或零偏模式下，它是最小的。它直接随温度的变化而变化。暗电流在系统中引起电子噪声。因此，它保持最小以提供更好的性能。

4击穿电压

击穿电压是光电二极管所能承受的最大反向电压。如果外加电压超过击穿电压，则反向漏电流或暗电流将成倍增加，二极管将永久损坏。光电二极管必须在低于此电平下工作。击穿电压随着温度的升高而降低。

#9 光电二极管的特性

VI特性曲线显示了器件的电压和电流之间的关系。横轴或x轴表示电压，纵轴或y轴表示通过器件的电流，下面给出了光电二极管的特性曲线。

正如我们所知，光电二极管工作在反向偏置，因此，图表是在反向电压和反向电流之间。反向电压在负x轴上表示，而反向电流在负y轴上以微安表示。

反向电流不随反向电压的变化而变化。然而，反向电流随着入射光强度的增加而增加。在光强度为零或没有光的情况下，除了一种叫做暗电流的非常小的恒定电流外，没有明显的反向电流。通过增加光的强度，反向电流线性增加。

#10 光电二极管的种类

有许多不同类型的光电二极管可用。它们都以相同的基本原理运作。它们中的每一个都被专门设计为具有至少一个增强参数，如高速，低噪声，高效率等。这里有一些最常用的光电二极管：

1PN光电二极管

PN光电二极管是第一类发展起来的光电二极管。它和传统二极管一样只有一个PN结。它有一个小的耗尽区，可以通过施加反向电压扩大。由于结宽决定结电容，增加宽度将减少电容，但反向偏置也增加了不需要的电流流，称为暗电流。它会在系统中产生电噪声。它体积更小，响应时间和灵敏度更低。由于PIN光电二极管的发展，它们并没有得到广泛的应用。

2PIN光电二极管

PIN或P-I-N光电二极管是一种光电二极管，本质上是一种改进的，更有效的形式的PN光电二极管。它是通过在P型和N型材料之间插入本征半导体材料而开发的。本征材料是一种高阻材料，提高了其性能，如速度，电流和效率。

● 结构

它由P型、N型和本征半导体材料三层组成。将本征层夹在P型层和N型层之间，形成P-I和I-N两个结点，如下图所示。

● 工作

本征层增加了耗尽面积。随着反向电压的施加，它进一步增加。所述P层与所述电压源的负极连接，所述N层与所述电压源的正极连接。P层和N层中的大多数载流子被拉向相反的方向。耗尽宽度随着反向电压的增加而增加，直到它等于本征层。此时，本征层没有任何自由载流子。

由于耗尽区变宽，大部分入射光或光子被利用，产生大量的电子-空穴对。在本征区产生的电子向P层移动，空穴向N层移动，使电流流动。

内在层有很多好处。它增加了耗竭区的宽度。它增加了活跃区域或光线照射的区域，因此，它提高了效率。大的耗尽区允许产生更多的电子空穴对，从而产生更多的光电流。它还降低了增加光电二极管速度的结电容。但它需要很高的反向偏置电压，这也会在系统中产生电噪声。

● 结构

- 效率高于PN光电二极管

- 响应时间比PN光电二极管快

- 适用于电子电路中的高频应用

- 与PN光电二极管相比具有更高的灵敏度

- 有更大的带宽

3雪崩光电二极管

雪崩光电二极管是另一种类型的光电二极管二极管，具有类似的工作原理，但它提供了高电流增益由于冲击电离。冲击电离是指具有足够动能的载流子与其他原子碰撞并除去电子从而产生更多载流子的现象。这也被称为雪崩效应。雪崩光电二极管具有很高的电流增益，非常灵敏。因此，它们被用于弱光应用。然而，它需要高反向电压并产生多余的电气噪声。

● 结构

雪崩光电二极管的结构类似于PIN光电二极管。如图所示，它由P、I、P、N四层组成。在末端的两层P+和N+被大量掺杂，分别形成阳极和阴极。而本征I层和P层是轻掺杂的。

由于保护环和均匀结的存在，与PIN光电二极管相比，其结构较为复杂。保护环有助于保护光电二极管免受边缘击穿。N层是最薄的层。与PIN光电二极管相比，耗尽宽度更薄。

● 工作

雪崩光电二极管在非常高的反向偏置电压下工作。它在耗尽区形成一个强大的电场。当光或光子撞击光电二极管时，会产生电子-空穴对。在强电场的作用下，电子和空穴以极高的速度向P+和N+区域移动。由于电子的高动能，它与材料中的其他原子碰撞并撞断电子，产生更多的电子-空穴对。它被称为撞击电离。同样，这些电子再次加速并与其他原子碰撞，释放出更多的电子，导致载流子呈指数增长。这就是所谓的雪崩乘法。因此雪崩光电二极管比PIN光电二极管产生更高的光电流。

高反向电压提高了它的灵敏度和响应速度，但也使它更容易受到电气噪声的影响。暗电流也随着反向电压的增大而增大。噪音取决于温度。因此，大型散热器与它一起使用。

● 优势

- 感知低强度的光

- 有很高的灵敏度

- 提供了一个高水平的信号增益

- 提供了更大的信噪比

- 有非常快的响应时间

4肖特基光电二极管

肖特基光电二极管是另一种由金属和半导体结合制成的光电二极管。因此，它也被称为金属半导体或MS结二极管。与PIN和雪崩光电二极管不同，它不包含任何PN结。它的工作原理与其他光电二极管相似。它使肖特基光电二极管具有高速，特别是长波长检测。

MS结的工作原理类似于本征层。利用金属通常是金(Au)在N型半导体层上形成透明金属层。光子穿过金层并在N型层中吸收。光子在耗尽区释放一个电子-空穴对，被内置电场扫走。

肖特基光电二极管的响应时间取决于N型半导体的掺杂浓度。调整掺杂浓度可改变耗尽区的宽度。肖特基光电二极管与其他光电二极管相比的优点是，当它连接到外部电路时，它只进行一个金属-半导体连接。因此，它不需要欧姆触点。由于没有P型半导体，它具有相当快的响应。它使其能够在非常短的波长和高达50 Ghz的频率下工作。

5光电二极管的优缺点

● 优势

- 依靠光能运转

- 便于通过光纤进行快速通信

- 产生的噪音非常低

- 光电晶体管相比，它产生较低的暗电流

- 具有很高的量子效率

- 电阻很低

- 坚固耐用，使用寿命更长

- 在低电压下工作

- 有一个线性响应

- 划算

● 缺点

- 活动区域相对较小

- 灵敏度比其他元件低

- 需要一个外部电源为负载提供足够的电流

- 在低光强下工作时需要放大

- 简单的PN光电二极管具有较高的响应时间

- 热噪声对其性能影响很大

- 温度稳定性差

- 使用偏置电压

#11 光电二极管的应用

光电二极管基本上用于检测和测量光强度，因此它几乎在每个领域都有许多应用。下面是光电二极管的一些应用：

1电气隔离

光电二极管用于光电耦合器，以在电上隔离两个电路。它将任何低电压敏感电路与高压电路隔离开来。电路是光耦合和电隔离的。

2可再生能源

光电二极管被广泛用于将太阳能转化为电能，为我们的日常设备供电。它们在国内和工业层面上都有应用。在一个太阳能发电厂中，数百块包含光电二极管阵列的面板被用来产生电能。

3光学通信

高速光电二极管(如PIN光电二极管)用于通过光纤电缆进行高速光通信。

4建筑安全

它也用于火灾和烟雾报警器，以防止建筑物中的任何火灾危险。它的光传感器可以探测烟雾。

5医疗器械

光电二极管在医疗仪器中也有多种应用，如CT扫描、PET扫描仪、样品分析仪等。

6防盗报警器

在防盗报警器中，有一个固定的光源，它不断地撞击光电二极管并产生恒定的电流。如果有什么东西或人通过并对光线造成阻碍，二极管电流下降并触发警报。

7计数器

光电二极管可以用来计算在它和连续光源之间通过的物体。

在数码相机中，它被用作光传感器来测量不同程度的光强度。

- 被用来探测可见光和不可见光(红外)

- 被用作光学编码器和解码器

- 被用作位置传感器、接近传感器和条形码阅读器

- 被用于自动路灯，根据落在它上面的光进行开关

- 被用于红外遥控器遥控任何设备，如电视，空调等

- 用于激光唱机、扫描仪

- 用于打印机中检测和计数页面

- 用作可变电阻器件，其电阻随光强而变化

- 由于其速度快、电压低的特点，被广泛应用于数字逻辑电路中

- 被用于字符识别技术

审核编辑：汤梓红