光電二極管的基礎知識

導語

光電二極管是一種基于半導體的光傳感器或光傳感器，用于檢測和測量光的強度。它用于基于光的應用，并利用光來控制各種其他電氣設備。本文詳細介紹了光電二極管及其各種類型的所有基礎知識。

#1什么是光電二極管？

光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的二極管。它本質(zhì)上是一個光傳感器，當光線照射到它上時，它會產(chǎn)生電流。它也被稱為光探測器、光傳感器或光傳感器。光能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象稱為光伏效應。太陽能電池或太陽能板由一組光電二極管(也稱為光伏電池)組成，它們將太陽能轉(zhuǎn)化為電流。

它是由PN結(jié)制成的半導體器件。P型半導體和N型半導體材料通過在它們之間附加的本征層連接在一起。它被設計為在反向偏置條件下工作，即光電二極管的P側(cè)連接到負極，而N側(cè)連接到電池的正極。

用于制造光電二極管的材料有但不限于硅、鍺、砷化銦鎵。材料類型和摻雜濃度決定了光電二極管的響應時間、靈敏度、擊穿電壓、暗電流和成本效益等性能參數(shù)。

它有一個高度敏感的結(jié)，或者在某些情況下，當光照射在它上面時產(chǎn)生電子-空穴對的本征區(qū)域。使用窗口透鏡來照射入射光。產(chǎn)生的電流與落在上面的光的強度成正比。這種現(xiàn)象被稱為光伏效應。

#2光電二極管符號

光電二極管的符號完全像LED發(fā)光二極管，光線照在上面，如下圖所示。

它有陽極和陰極兩個端子。陽極是較長的端子，而陰極是較短的端子。

#3結(jié)構(gòu)

一個典型的光電二極管是由兩層P型和N型半導體連接在一起形成PN結(jié)。由于它是一個光傳感器，接合處被玻璃或光學透鏡覆蓋，從而暴露在光線下。透鏡增加表面積以收集更多的光并增加其強度。光電二極管的剩余部分覆蓋一層黑色或金屬化層。光電二極管的結(jié)構(gòu)如下所示。

如圖所示為典型PN光電二極管的橫截面結(jié)構(gòu)。它由P和N兩層接合而成，P型材料輕摻雜，N型材料重摻雜。由于(+)離子從P型材料的移動和(-)離子從N型材料的移動，這兩層的連接形成了一個區(qū)域。這個區(qū)域沒有任何載流子。然而，在這個耗盡區(qū)有一個電場。當電子-空穴對產(chǎn)生時，這個電場只負責一個方向的電流流動。這就是為什么光電二極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損壞光電二極管。P+活性區(qū)域覆蓋有抗反射AR層或玻璃，而其余的主體則是金屬化或涂成黑色。金屬觸點用于陰極和陽極。

二極管的正面可分為有源區(qū)和非有源區(qū)。顧名思義，有源區(qū)域是光能轉(zhuǎn)化為電能的區(qū)域，因此，它被抗反射材料覆蓋，以最大限度地吸收落在它上面的光。非活性區(qū)被SiO2層覆蓋。

#4光電二極管的工作原理

PN光電二極管類似于傳統(tǒng)的PN結(jié)二極管。當PN結(jié)二極管反向偏置時，耗盡區(qū)變寬。產(chǎn)生少數(shù)載流子，構(gòu)成二極管的反向電流。反向電流與施加的反向電壓成正比。

類似地，在光電二極管中，在耗盡區(qū)存在內(nèi)置電位差。當足夠能量(hv)大于能隙(Eg)的光線或光子落在光電二極管的連接處時，它將電子從其價帶移出或移出到導帶。電子留下一個空穴，這樣就產(chǎn)生了電子-空穴對。這種現(xiàn)象也被稱為內(nèi)光伏效應。在內(nèi)置電場的作用下，電子和空穴向相反方向運動，即電子向陰極運動，空穴向陽極運動。這種電流稱為光電流，它與入射光的強度成正比。

在光電二極管中，即使沒有光源或光子落在其結(jié)上，仍然有電流。這種電流被稱為暗電流。以微安計，它是極小的。它類似于任何傳統(tǒng)PN結(jié)二極管的泄漏電流。這是反向偏置中不需要的電流，它直接隨溫度變化，必須減少以增加光電二極管的靈敏度。任何光電二極管的總電流是光電流和暗電流的總和。

#5光電二極管的模式

光電二極管可以在以下三種模式下工作：

● 光伏模式

● 光電導模式

● 雪崩二極管模式

1光伏模式

這種模式也被稱為零偏置模式，因為沒有偏置或外部電壓源連接到光電二極管。當光或光子到達耗盡區(qū)時，產(chǎn)生電子-空穴對，在內(nèi)置電場的影響下，電子-空穴對向相反方向遠離結(jié)。因此，如果它連接在一個閉合電路中，就會產(chǎn)生電流;如果它是一個開路電路，就會在陰極和陽極之間產(chǎn)生電位差。

在開路的情況下，與落在有源區(qū)域上的光強成比例的正向電壓在其陽極和陰極上產(chǎn)生。當陽極電位大于陰極電位時，該電壓處于正偏置模式。

在閉合電路的情況下，正向電流流過電路。這個正向電流等于光電流和暗電流之和。這種現(xiàn)象被稱為光伏效應，它主要負責太陽能電池的運行。

光伏模式以非線性電壓提供低電平電流變化(低動態(tài)范圍)。它用于低頻率應用和低亮度。這種模式具有低電子噪聲。但它有一個緩慢的響應時間，由于最大的結(jié)電容由于一個無偏系統(tǒng)。

2光電導模式

在光導模式下，光電二極管反向偏置，即其陽極與電池的負極連接，陰極與電池的正極連接，或者陰極相對于陽極具有更高的電位。因此，這種模式也被稱為反向偏置模式。

由于反向偏壓的存在，損耗區(qū)隨著反向電壓的增加而擴大并直接變化。由于面積大，更多的載流子從結(jié)處更快地收集。它還減少了結(jié)的電容，從而產(chǎn)生更快的響應時間。

在光導模式下，除了光電流外，還有一種反向的電流稱為暗電流。暗電流是由于在沒有光的情況下反向偏壓造成的。它在很大程度上取決于溫度，并與溫度直接變化。它還取決于材料的類型和光電二極管的有源區(qū)域。這是一種產(chǎn)生電噪聲的不需要的電流。

3雪崩模式

在雪崩模式下，光電二極管與高反向偏置電壓相連。高反向電壓增加了耗盡寬度和橫跨它的電勢。由于高電位，電子-空穴對以最大速度流動，在其路徑上撞擊更多的原子，從而產(chǎn)生更多的光電流。因此，雪崩模式具有較高的內(nèi)部增益和響應性。

#6光電二極管電路

當光電二極管用于外部電路時，它主要用于反向偏置條件。正極與負極或地連接，光電二極管的正極與電池的正極連接，如下圖所示。

光電二極管不能為任何電子設備供電，因為它自身產(chǎn)生的電流非常小。因此，使用電源來增加提供給負載的電流。

#7光電二極管的量子效率

量子效率是入射光子被光電二極管吸收并產(chǎn)生電子的比例。換句話說，量子效率被定義為入射光子中產(chǎn)生光電流的部分。它與響應度成正比。

利用增透涂層減少反射，可以使量子效率最大化。它在很大程度上取決于入射光的波長。量子效率可高達95%。

#8性能參數(shù)

光電二極管的性能主要取決于以下參數(shù)：

1響應時間

光電二極管的響應時間可以定義為電荷載流子穿過結(jié)的時間。它在很大程度上取決于結(jié)的電容。而結(jié)電容取決于結(jié)的寬度。結(jié)寬越大，電容越小，響應時間越短。為了提供更好的性能，響應時間保持在最小。

2反應性

響應度是入射光產(chǎn)生的光電流與入射光的實際功率之比。響應度單位為A/W(電流/功率)。響應性保持較高以提供更好的性能。

3暗電流

暗電流是指在沒有光的情況下，光電二極管中反向偏置的電流。它類似于傳統(tǒng)PN結(jié)二極管的反向漏電流。它非常小，通常用微安來測量。然而，在無偏或零偏模式下，它是最小的。它直接隨溫度的變化而變化。暗電流在系統(tǒng)中引起電子噪聲。因此，它保持最小以提供更好的性能。

4擊穿電壓

擊穿電壓是光電二極管所能承受的最大反向電壓。如果外加電壓超過擊穿電壓，則反向漏電流或暗電流將成倍增加，二極管將永久損壞。光電二極管必須在低于此電平下工作。擊穿電壓隨著溫度的升高而降低。

#9光電二極管的特性

VI特性曲線顯示了器件的電壓和電流之間的關系。橫軸或x軸表示電壓，縱軸或y軸表示通過器件的電流，下面給出了光電二極管的特性曲線。

正如我們所知，光電二極管工作在反向偏置，因此，圖表是在反向電壓和反向電流之間。反向電壓在負x軸上表示，而反向電流在負y軸上以微安表示。

反向電流不隨反向電壓的變化而變化。然而，反向電流隨著入射光強度的增加而增加。在光強度為零或沒有光的情況下，除了一種叫做暗電流的非常小的恒定電流外，沒有明顯的反向電流。通過增加光的強度，反向電流線性增加。

#10光電二極管的種類

有許多不同類型的光電二極管可用。它們都以相同的基本原理運作。它們中的每一個都被專門設計為具有至少一個增強參數(shù)，如高速，低噪聲，高效率等。這里有一些最常用的光電二極管：

1PN光電二極管

PN光電二極管是第一類發(fā)展起來的光電二極管。它和傳統(tǒng)二極管一樣只有一個PN結(jié)。它有一個小的耗盡區(qū)，可以通過施加反向電壓擴大。由于結(jié)寬決定結(jié)電容，增加寬度將減少電容，但反向偏置也增加了不需要的電流流，稱為暗電流。它會在系統(tǒng)中產(chǎn)生電噪聲。它體積更小，響應時間和靈敏度更低。由于PIN光電二極管的發(fā)展，它們并沒有得到廣泛的應用。

2PIN光電二極管

PIN或P-I-N光電二極管是一種光電二極管，本質(zhì)上是一種改進的，更有效的形式的PN光電二極管。它是通過在P型和N型材料之間插入本征半導體材料而開發(fā)的。本征材料是一種高阻材料，提高了其性能，如速度，電流和效率。

● 結(jié)構(gòu)

它由P型、N型和本征半導體材料三層組成。將本征層夾在P型層和N型層之間，形成P-I和I-N兩個結(jié)點，如下圖所示。

● 工作

本征層增加了耗盡面積。隨著反向電壓的施加，它進一步增加。所述P層與所述電壓源的負極連接，所述N層與所述電壓源的正極連接。P層和N層中的大多數(shù)載流子被拉向相反的方向。耗盡寬度隨著反向電壓的增加而增加，直到它等于本征層。此時，本征層沒有任何自由載流子。

由于耗盡區(qū)變寬，大部分入射光或光子被利用，產(chǎn)生大量的電子-空穴對。在本征區(qū)產(chǎn)生的電子向P層移動，空穴向N層移動，使電流流動。

內(nèi)在層有很多好處。它增加了耗竭區(qū)的寬度。它增加了活躍區(qū)域或光線照射的區(qū)域，因此，它提高了效率。大的耗盡區(qū)允許產(chǎn)生更多的電子空穴對，從而產(chǎn)生更多的光電流。它還降低了增加光電二極管速度的結(jié)電容。但它需要很高的反向偏置電壓，這也會在系統(tǒng)中產(chǎn)生電噪聲。

● 結(jié)構(gòu)

- 效率高于PN光電二極管

- 響應時間比PN光電二極管快

- 適用于電子電路中的高頻應用

- 與PN光電二極管相比具有更高的靈敏度

- 有更大的帶寬

3雪崩光電二極管

雪崩光電二極管是另一種類型的光電二極管二極管，具有類似的工作原理，但它提供了高電流增益由于沖擊電離。沖擊電離是指具有足夠動能的載流子與其他原子碰撞并除去電子從而產(chǎn)生更多載流子的現(xiàn)象。這也被稱為雪崩效應。雪崩光電二極管具有很高的電流增益，非常靈敏。因此，它們被用于弱光應用。然而，它需要高反向電壓并產(chǎn)生多余的電氣噪聲。

● 結(jié)構(gòu)

雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu)類似于PIN光電二極管。如圖所示，它由P、I、P、N四層組成。在末端的兩層P+和N+被大量摻雜，分別形成陽極和陰極。而本征I層和P層是輕摻雜的。

由于保護環(huán)和均勻結(jié)的存在，與PIN光電二極管相比，其結(jié)構(gòu)較為復雜。保護環(huán)有助于保護光電二極管免受邊緣擊穿。N層是最薄的層。與PIN光電二極管相比，耗盡寬度更薄。

● 工作

雪崩光電二極管在非常高的反向偏置電壓下工作。它在耗盡區(qū)形成一個強大的電場。當光或光子撞擊光電二極管時，會產(chǎn)生電子-空穴對。在強電場的作用下，電子和空穴以極高的速度向P+和N+區(qū)域移動。由于電子的高動能，它與材料中的其他原子碰撞并撞斷電子，產(chǎn)生更多的電子-空穴對。它被稱為撞擊電離。同樣，這些電子再次加速并與其他原子碰撞，釋放出更多的電子，導致載流子呈指數(shù)增長。這就是所謂的雪崩乘法。因此雪崩光電二極管比PIN光電二極管產(chǎn)生更高的光電流。

高反向電壓提高了它的靈敏度和響應速度，但也使它更容易受到電氣噪聲的影響。暗電流也隨著反向電壓的增大而增大。噪音取決于溫度。因此，大型散熱器與它一起使用。

● 優(yōu)勢

- 感知低強度的光

- 有很高的靈敏度

- 提供了一個高水平的信號增益

- 提供了更大的信噪比

- 有非常快的響應時間

4肖特基光電二極管

肖特基光電二極管是另一種由金屬和半導體結(jié)合制成的光電二極管。因此，它也被稱為金屬半導體或MS結(jié)二極管。與PIN和雪崩光電二極管不同，它不包含任何PN結(jié)。它的工作原理與其他光電二極管相似。它使肖特基光電二極管具有高速，特別是長波長檢測。

MS結(jié)的工作原理類似于本征層。利用金屬通常是金(Au)在N型半導體層上形成透明金屬層。光子穿過金層并在N型層中吸收。光子在耗盡區(qū)釋放一個電子-空穴對，被內(nèi)置電場掃走。

肖特基光電二極管的響應時間取決于N型半導體的摻雜濃度。調(diào)整摻雜濃度可改變耗盡區(qū)的寬度。肖特基光電二極管與其他光電二極管相比的優(yōu)點是，當它連接到外部電路時，它只進行一個金屬-半導體連接。因此，它不需要歐姆觸點。由于沒有P型半導體，它具有相當快的響應。它使其能夠在非常短的波長和高達50 Ghz的頻率下工作。

5光電二極管的優(yōu)缺點

● 優(yōu)勢

- 依靠光能運轉(zhuǎn)

- 便于通過光纖進行快速通信

- 產(chǎn)生的噪音非常低

- 光電晶體管相比，它產(chǎn)生較低的暗電流

- 具有很高的量子效率

- 電阻很低

- 堅固耐用，使用壽命更長

- 在低電壓下工作

- 有一個線性響應

- 劃算

● 缺點

- 活動區(qū)域相對較小

- 靈敏度比其他元件低

- 需要一個外部電源為負載提供足夠的電流

- 在低光強下工作時需要放大

- 簡單的PN光電二極管具有較高的響應時間

- 熱噪聲對其性能影響很大

- 溫度穩(wěn)定性差

- 使用偏置電壓

#11光電二極管的應用

光電二極管基本上用于檢測和測量光強度，因此它幾乎在每個領域都有許多應用。下面是光電二極管的一些應用：

1電氣隔離

光電二極管用于光電耦合器，以在電上隔離兩個電路。它將任何低電壓敏感電路與高壓電路隔離開來。電路是光耦合和電隔離的。

2可再生能源

光電二極管被廣泛用于將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為我們的日常設備供電。它們在國內(nèi)和工業(yè)層面上都有應用。在一個太陽能發(fā)電廠中，數(shù)百塊包含光電二極管陣列的面板被用來產(chǎn)生電能。

3光學通信

高速光電二極管(如PIN光電二極管)用于通過光纖電纜進行高速光通信。

4建筑安全

它也用于火災和煙霧報警器，以防止建筑物中的任何火災危險。它的光傳感器可以探測煙霧。

5醫(yī)療器械

光電二極管在醫(yī)療儀器中也有多種應用，如CT掃描、PET掃描儀、樣品分析儀等。

6防盜報警器

在防盜報警器中，有一個固定的光源，它不斷地撞擊光電二極管并產(chǎn)生恒定的電流。如果有什么東西或人通過并對光線造成阻礙，二極管電流下降并觸發(fā)警報。

7計數(shù)器

光電二極管可以用來計算在它和連續(xù)光源之間通過的物體。

在數(shù)碼相機中，它被用作光傳感器來測量不同程度的光強度。

- 被用來探測可見光和不可見光(紅外)

- 被用作光學編碼器和解碼器

- 被用作位置傳感器、接近傳感器和條形碼閱讀器

- 被用于自動路燈，根據(jù)落在它上面的光進行開關

- 被用于紅外遙控器遙控任何設備，如電視，空調(diào)等

- 用于激光唱機、掃描儀

- 用于打印機中檢測和計數(shù)頁面

- 用作可變電阻器件，其電阻隨光強而變化

- 由于其速度快、電壓低的特點，被廣泛應用于數(shù)字邏輯電路中

- 被用于字符識別技術

審核編輯：湯梓紅