光通信中光电二极管的工作原理

文章来源：睐芯科技LightSense

原文作者：LIG

本文介绍了光通信中的光电二极管的工作原理，及其响应度和效率的概念。  

光纤传输的光通过光电二极管在接收端变成电信号。

光电二极管的各种特性影响接收机前端的灵敏度和速度。

光电二极管对输入光产生电流，某种意义上是激光二极管的逆过程。如果用光来说明pn结，价带中的电子可能受激跃迁到导带。结果是，一个光子被吸收，产生一对能够导电的自由电子-空穴对。

如果光子能量Ep超过材料的带隙能量Eg，该现象就会产生。光子能量由普朗克等式给出：

其中，j.s表示普朗克常数。所以，光波长必须小于阈值以激发载流子产生。

在pn结中产生自由电子-空穴对使反向“击穿”特性向原点移动, 见图(a)。确实，如果反向电压加在二极管上，光激发的自由电子和空穴被电源的相反极性吸收，产生连续电流(b)。

应注意到，光电二极管的动作大部分发生在耗尽层；二极管其他区域的电场较小，在它们离开此区域时可能复合。由于该原因，高效的光电二极管工作需要反偏电压和较大的耗尽层。

响应度和效率

光电二极管产生的电流Ip与光功率Pop成如下线性关系：

其中，称为“响应度”。例如，某些光电二极管的响应度为1A/W，也即，当用合适波长的1mW的光照射时，光电二极管产生1mA的电流。通过加宽光电二极管的接收光表面的面积，可以增加响应度。但是，代价是增大了结电容。

对于理想光电二极管，每个进入器件的光子产生一个自由电子-空穴对。然而，实际上，某些光子从表面反射或者被材料吸收产生热。所以，将光电二极管的“量子效率”定义为，产生的电子数除以使用的光子数(在给定的时间间隔)，即：

其中，q表示电子电量，分母表示光子数。由式有：

η的典型值在0.8~0.9的范围。