日期：2022-01-07
光敏二極管是一種帶有 PN 結(jié)的半導(dǎo)體器件，可將光子(或光)轉(zhuǎn)換為電流。P層有大量空穴(正)，N層有大量電子(負(fù))。光敏二極管可由多種材料制成，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(lái)實(shí)現(xiàn)成本效益、增加靈敏度、波長(zhǎng)范圍、低噪聲水平，甚至響應(yīng)速度。
光敏二極管一、橫截面
顯示了典型光敏二極管的橫截面。耗盡區(qū)由電子從N層擴(kuò)散到P層和空穴從P層擴(kuò)散到N層形成。這會(huì)在兩層之間創(chuàng)建一個(gè)不存在自由載流子的區(qū)域。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)置電壓，以在耗盡區(qū)產(chǎn)生電場(chǎng)。這允許電流僅沿一個(gè)方向流動(dòng)(陽(yáng)極到陰極)。光敏二極管可以正向偏置，但產(chǎn)生的電流將沿相反方向流動(dòng)。這就是為什么大多數(shù)光敏二極管都是反向偏置或根本不偏置的原因。有些光敏二極管不能在不損壞的情況下正向偏置。
光敏二極管二、釋放電子
如果光子有足夠的能量，光子可以撞擊設(shè)備內(nèi)的原子并釋放電子。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)(e- 和 h+)，其中空穴只是一個(gè)電子的“空白空間”。如果光子被 P 層或 N 層吸收，如果電子空穴對(duì)距離耗盡區(qū)足夠遠(yuǎn)(至少一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度)，它們將作為熱量在材料中重新結(jié)合。在耗盡區(qū)(或靠近耗盡區(qū))吸收的光子將產(chǎn)生電子空穴對(duì)，由于電場(chǎng)的作用，這些電子空穴對(duì)將移動(dòng)到相反的兩端。陰極上的電子將向正電位移動(dòng)，而陽(yáng)極上的空穴將向負(fù)電位移動(dòng)。這些移動(dòng)的電荷載流子在光敏二極管中形成電流(光電流)。顯示了光敏二極管(PN 結(jié))的不同層以及頂部和底部的多個(gè)連接點(diǎn)。
光敏二極管三、關(guān)鍵性能規(guī)格
在選擇合適的光敏二極管以及是否對(duì)光敏二極管進(jìn)行反向偏置時(shí)，有四個(gè)主要參數(shù)。光敏二極管的響應(yīng)(速度/時(shí)間)由 PN 結(jié)的電容決定。這是電荷載流子穿過(guò) PN 結(jié)所需的時(shí)間。這直接受耗盡區(qū)寬度的影響。響應(yīng)度是入射光產(chǎn)生的光電流與入射光功率之比。這通常以 A/W(電流超過(guò)功率)為單位表示。光敏二極管的典型響應(yīng)曲線將顯示 A/W 作為波長(zhǎng)的函數(shù)。這稱為量子效率。
光敏二極管四、暗電流
暗電流是沒(méi)有入射光時(shí)光敏二極管中的電流。這可能是光敏二極管系統(tǒng)中的主要噪聲源之一。來(lái)自背景輻射的光電流也可以包括在此測(cè)量中。光敏二極管通常放置在不允許任何光線照射到光敏二極管的外殼中以測(cè)量暗電流。由于光敏二極管產(chǎn)生的電流可能非常小，暗電流水平會(huì)掩蓋入射光在低光水平下產(chǎn)生的電流。暗電流隨溫度增加。如果沒(méi)有偏置，暗電流可以非常低。理想的光敏二極管沒(méi)有暗電流。擊穿電壓是在漏電流或暗電流呈指數(shù)增長(zhǎng)之前可以施加到光敏二極管的最大反向電壓。光敏二極管應(yīng)在施加的最大反向偏壓以下操作，否則可能會(huì)損壞光敏二極管。擊穿電壓隨溫度升高而降低。
光敏二極管五、波長(zhǎng)靈敏度
其他重要參數(shù)包括材料、光敏二極管和有源區(qū)域的尺寸以及成本。在為您的研究或應(yīng)用瀏覽光敏二極管時(shí)需要仔細(xì)考慮。由不同材料(硅、鍺、砷化銦鎵磷化物或砷化銦鎵)制成的光敏二極管具有不同的靈敏度以及不同的速度和暗電流。例如，硅為 ~400 到 1000 nm 之間的波長(zhǎng)提供靈敏度。然而，它在更高的波長(zhǎng)(~900 nm)下具有最高的靈敏度。另一方面，鍺為 ~800 到 1600 nm(峰值 ~1400 nm)之間的波長(zhǎng)提供靈敏度。在找到合適的光敏二極管以集成到您的激光二極管系統(tǒng)中時(shí)，光敏二極管的材料至關(guān)重要。
光敏二極管六、概括
在決定是否反向偏置您的光敏二極管時(shí)，這一切都?xì)w結(jié)為平衡速度和噪聲并決定什么是最重要的。如果您的應(yīng)用需要極低的噪聲和低暗電流，您應(yīng)該選擇不對(duì)光敏二極管進(jìn)行偏置。如果速度是您的主要關(guān)注點(diǎn)，您應(yīng)該選擇反向偏置您的光敏二極管，因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間得到改善。換句話說(shuō)，如果您的應(yīng)用是基于精度的，光伏模式將更適合您的需求。如果您的應(yīng)用基于速度(高速)，光電導(dǎo)模式或反向偏置模式將更適合該領(lǐng)域。反向偏置光敏二極管將比無(wú)偏置模式響應(yīng)更快。如果在光伏模式下運(yùn)行，則可能需要放大響應(yīng)。
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