1 、簡(jiǎn)述

光電二極管（英文：photodiode ,中文也稱“光敏二極管” ）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（硅電池）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結(jié)，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。光電二極管的電氣（原理圖）符號(hào)和常見(jiàn)實(shí)物外觀如下圖（1）所示：

 

2 、工作原理

如圖（2）所示，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)，常常被設(shè)計(jì)為工作在反向偏置狀態(tài)。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。

 

3、工作曲線&模式

光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。如下圖（3）所示，沒(méi)有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流（Dark Current） 。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子---空穴對(duì)，稱為光生載流子。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。 

光電二極管可以工作在這兩個(gè)模式中的一個(gè): 光導(dǎo)模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。 工作模式的選擇根據(jù)應(yīng)用中速度和可接受暗電流大小(漏電流)而定。

處于光導(dǎo)模式時(shí)，有一個(gè)外加的偏壓，這是光電二極管的工作基礎(chǔ)。 電路中測(cè)得的電流代表器件接受到的光照; 測(cè)量的輸出電流與輸入光功率成正比。 外加偏壓使得耗盡區(qū)的寬度增大，響應(yīng)度增大，結(jié)電容變小，響應(yīng)度趨向直線。 工作在這些條件下容易產(chǎn)生很大的暗電流，但可以選擇光電二極管的材料以限制其大小。

光伏模式下，光電二極管是零偏置的。 器件的電流流動(dòng)被限制，形成一個(gè)電壓。 這種工作模式利用了光伏效應(yīng)，它是太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)。 當(dāng)工作在光伏模式時(shí)，暗電流最小。 

4 、種類

4.1  PN型光電二極管

特性：優(yōu)點(diǎn)是暗電流小，一般情況下，響應(yīng)速度較低。

用途：照度計(jì)、彩色傳感器、光電三極管、線性圖像傳感器、分光光度計(jì)、照相機(jī)曝光計(jì)。

4.2  PIN型光電二極管

特性：缺點(diǎn)是暗電流大，因結(jié)容量低，故可獲得快速響應(yīng)。

用途：高速光的檢測(cè)、光通信、光纖、遙控、光電三極管、寫字筆、傳真。

4.3  發(fā)射鍵型光電二極管

特性：使用Au薄膜與N型半導(dǎo)體結(jié)代替P型半導(dǎo)體

用途：主要用于紫外線等短波光的檢測(cè)

4.4  雪崩型光電二極管

光電二極管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。

特性：響應(yīng)速度非?？欤蚓哂斜端僮饔?，故可檢測(cè)微弱光。

用途：高速光通信、高速光檢測(cè)

5 、主要參數(shù)

光電二極管的一些關(guān)鍵性能參數(shù)包括以下幾項(xiàng)：

5.1 響應(yīng)率

如下圖所示，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。 

5.2 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。

5.3 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（http://www.sosenglish.com.cn/catalog/308.html）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。

5.4 結(jié)電容

結(jié)電容（Cj）是光電二極管的一個(gè)重要性質(zhì)，對(duì)光電二極管的帶寬和響應(yīng)有很大影響。需要注意的是，結(jié)區(qū)面積大的二極管結(jié)體積也越大，也擁有較大的充電電容。在反向偏壓應(yīng)用中，結(jié)的耗盡區(qū)寬度增加，會(huì)有效地減小結(jié)電容，增大響應(yīng)速度。

5.5 等效噪聲功率

等效噪聲功率（英語(yǔ)：Noise-equivalent power, 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。

6 、應(yīng)用(舉例)

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、感光耦合元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元件。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)械元件的運(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、感光耦合元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。

下面給出一些方案的簡(jiǎn)易應(yīng)用圖：

6.1 光電二極管做成一個(gè)高速光電耦合器 

6.2  障礙物探測(cè)  （如尋跡小車）  

 

6.3  玩具槍靶環(huán) ( 激光亮點(diǎn)打中會(huì)響 )

6.4  RS232 串口信號(hào)的光電隔離 

6.5  激光密碼鎖 

相比無(wú)線電波容易被監(jiān)聽(tīng)，此方案通過(guò)光電技術(shù)對(duì)鎖具進(jìn)行控制，比如：發(fā)射端用激光筆，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)遠(yuǎn)程、安全的的車庫(kù)、家居的開鎖開門方案。

6.6  光纖通信 

6.7  一維條形碼的解碼應(yīng)用 

通過(guò)移動(dòng)導(dǎo)光管（掃描），光電二極管獲得條形碼的明暗紋的編碼數(shù)據(jù)，通過(guò)解碼可獲得原始數(shù)字。