光電二極管

三個(gè)硅光電二極管(前兩個(gè))以及一個(gè)鍺光電二極管(最后一個(gè))

光電二極管的符號(hào)

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。光電二極管常常被設(shè)計(jì)為工作在反向偏置狀態(tài)。

工作原理

光電二極管的工作曲線

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)。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]

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，這是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。

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。[4]

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)良好的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–Nyquist noise)會(huì)造成較大的影響。

其他工作模式

參見(jiàn)：雪崩光電二極管

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。

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)。