光電二極管是一種具有 PN 結的半導體器件，可將光子(或光)轉換為電流。P層有豐富的空穴(正)，N層有豐富的電子(負)。光電二極管可由多種材料制造，包括但不限于硅、鍺和砷化銦鎵。每種材料都使用不同的特性來實現成本效益、提高靈敏度、波長范圍、低噪聲水平，甚至響應速度。顯示了典型光電二極管的橫截面。耗盡區由電子從N層擴散到P層和空穴從P層擴散到N層形成。這在兩層之間創建了一個不存在自由載流子的區域。這會產生一個內置電壓以在耗盡區產生電場。這允許電流僅沿一個方向流動(陽極到陰極)。光電二極管可以正向偏置，但產生的電流將沿相反方向流動。這就是為什么大多數光電二極管被反向偏置或根本沒有偏置的原因。一些光電二極管不能在沒有。

光敏二極管一、損壞的情況下正向偏置

如果光子有足夠的能量，光子可以撞擊設備內的原子并釋放電子。這會產生一個電子-空穴對(e- 和 h+)，其中空穴只是電子的“空白空間”。如果光子在 P 層或 N 層中被吸收，如果電子空穴對距離耗盡區足夠遠(至少一個擴散長度)，它們將在材料中重新組合為熱。在耗盡區(或附近)吸收的光子將產生電子空穴對，這些電子空穴對將由于電場而移動到相反的兩端。電子將向陰極上的正電位移動，而空穴將向陽極上的負電位移動。這些移動的電荷載流子在光電二極管中形成電流(光電流)。圖1顯示了光電二極管的不同層(PN 結)以及頂部和底部的多個連接點。

光敏二極管二、關鍵性能規格

有四個主要參數用于選擇正確的光電二極管以及是否對光電二極管進行反向偏置。光電二極管的響應(速度/時間)由 PN 結的電容決定。這是電荷載流子穿過 PN 結所需的時間。這直接受耗盡區寬度的影響。響應度是入射光產生的光電流與入射光功率之比。這通常以 A/W(電流超過功率)為單位表示。光電二極管的典型響應曲線將顯示 A/W 作為波長的函數。這稱為量子效率。

光敏二極管三、電流

暗電流是沒有入射光時光電二極管中的電流。這可能是光電二極管系統中的主要噪聲源之一。來自背景輻射的光電流也可以包含在該測量中。光電二極管通常放置在不允許任何光線照射到光電二極管的外殼中以測量暗電流。由于光電二極管產生的電流可能非常小，暗電流水平會掩蓋在低光照水平下入射光產生的電流。暗電流隨溫度增加。在沒有偏置的情況下，暗電流可以非常低。理想的光電二極管不會有暗電流。擊穿電壓是在漏電流或暗電流呈指數增加之前可以施加到光電二極管的最大反向電壓。光電二極管應在此施加的最大反向偏壓以下運行，否則可能會損壞光電二極管。擊穿電壓隨溫度升高而降低。

光敏二極管四、類型

PN結：這是最基本的光電二極管。PN 結光電二極管如何工作的物理原理已在前面進行了回顧。PIN 和 APD 光電二極管是 PN 結的變體。耗盡區包含很少的自由電荷載流子，耗盡區的寬度可以通過添加電壓偏置來控制?；?P 和 N 摻雜材料，通過光電二極管的電流只能沿一個方向流動。如果反向偏置，電流將不會流過光電二極管，而入射光不會產生光電流。

光敏二極管五、PIN光電二極管

PIN 光電二極管類似于 PN 結，但有一個主要區別。不是將 P 層和 N 層放置在一起以創建耗盡區，而是將本征層放置在兩個摻雜層之間。該層如圖 2所示。該本征層具有高電阻并增加光電二極管中的電場強度。增加本征層有很多好處，因為耗盡區大大增加。結的電容減小，因此光電二極管的速度增加。增加的層還允許更大體積的光子到電子-空穴的轉換和更高的量子效率。

光敏二極管六、光導模式反向偏置

當光電二極管反向偏置時，外部電壓被施加到 PN 結。負極接正極P層，正極接負極N層。這導致 N 層中的自由電子被拉向正極端子，而 P 層中的空穴被拉向負極端子。當對光電二極管施加外部電壓時，自由電子從負極開始，立即用電子填充 P 層中的空穴。這會在具有額外電子的原子中產生負離子。然后帶電原子阻止自由電子流向 P 層。類似地，空穴進行相同的過程以產生正離子，但方向相反。當反向偏置時，反向偏壓導致耗盡區的電位增加，耗盡區的寬度增加。這是創建大面積以吸收最大數量的光子的理想選擇。通過增加耗盡層的尺寸，反向偏壓可以減少響應時間。這種增加的寬度會降低結電容并增加光電二極管中載流子的漂移速度。減少了載體的運輸時間，提高了響應時間。

光敏二極管七、與激光二極管集成

監控光電二極管通常由激光二極管制造商集成到激光二極管封裝中。它產生與輸出激光二極管光功率部分成比例的電流。如果光電二極管電流用作反饋，控制系統將嘗試保持光電二極管電流(以及因此激光二極管的光功率)恒定?？烧{電流源的輸出會發生變化以保持光功率水平相同(這稱為恒定功率 (CP) 模式)。光電二極管電流和激光二極管輸出功率與激光二極管數據表中給出的傳遞函數相關。

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