日期：2023-08-21
光電二極管由半導(dǎo)體材料制成。最流行的選擇是硅 (Si) 或砷化鎵 (GaAs)，其他包括銻化銦 (InSb)、砷化銦 (InAs)、硒化鉛 (PbSe) 和硫化鉛 (PbS)。這些材料吸收特定波長范圍內(nèi)的光，例如：硅為 250 nm 至 1100 nm，GaAs 為 800 nm 至 2.0 μm。當光的光子被吸收時，它會激發(fā)一個電子并產(chǎn)生一對電荷載流子——一個電子和一個空穴，其中空穴只是半導(dǎo)體晶格中不存在電子的情況。當電荷載流子分離并沿相反方向移動時，電流通過半導(dǎo)體。光電二極管的技巧是在光子感應(yīng)的電荷載流子有機會重新組合之前，在電極處以電流或電壓的形式收集它們。
光敏二極管一、產(chǎn)生過量電子
n型半導(dǎo)體材料被摻雜以產(chǎn)生過量的電子，而p型材料則具有過量的空穴或電子不足。在pn結(jié)處，這種差異會產(chǎn)生濃度梯度，導(dǎo)致電子擴散到p層，空穴擴散到n層。這種擴散會產(chǎn)生相反的電勢，通常稱為內(nèi)部偏置(見圖 1)。在跨越結(jié)兩側(cè)的區(qū)域中，該電力導(dǎo)致任何電荷載流子快速掃至適當?shù)膶?。由于電荷載流子不能駐留在該區(qū)域，因此它被稱為耗盡區(qū)(見圖 2)。在pin光電二極管中，光子吸收產(chǎn)生的電荷載流子通過內(nèi)部(和任何外部)電壓偏置掃過結(jié)，從而在電極上產(chǎn)生小光電流。
光敏二極管二、p型層進入器件
在通用pin光電二極管中，光通過薄p型層進入器件。吸收導(dǎo)致光強度隨著穿透深度呈指數(shù)下降。耗盡區(qū)吸收的任何光子都會產(chǎn)生電荷載流子，這些載流子會立即分離并通過自然內(nèi)部偏壓掃過結(jié)。在耗盡區(qū)外部產(chǎn)生的電荷載流子將隨機移動，其中許多最終進入耗盡區(qū)并快速掃過結(jié)。其中一些會重新組合并消失，而不會到達耗盡區(qū)。電荷載流子穿過結(jié)的這種運動破壞了電平衡并產(chǎn)生小的光電流，可以在電極處檢測到。
光敏二極管三、光伏操作
在許多應(yīng)用中，希望最大化耗盡區(qū)的厚度。例如，當大部分電荷載流子在耗盡區(qū)中產(chǎn)生時，器件響應(yīng)速度更快。這也提高了器件的量子效率，因為大多數(shù)電荷載流子將沒有機會重新組合。量子效率定義為電子中的光電流與光子中的入射光強度的比率。耗盡區(qū)的厚度可以通過改變半導(dǎo)體摻雜水平來改變。然而，擴展該層的最簡單方法是施加外部電偏壓(電壓)。這被稱為光電導(dǎo)操作，因為信號被檢測為電流。傳統(tǒng)的無偏操作被稱為光伏操作，因為信號被檢測為電壓。后者更適合需要高線性響應(yīng)和/或低暗噪聲的應(yīng)用。
光敏二極管四、設(shè)備優(yōu)化
制造商生產(chǎn)各種形狀和尺寸的光電二極管，每種設(shè)計都經(jīng)過優(yōu)化以滿足指定參數(shù)。最重要的性能特征是響應(yīng)速度、感興趣波長的量子效率、有源區(qū)域的大小和形狀、響應(yīng)線性度、響應(yīng)的空間均勻性以及影響靈敏度的暗噪聲或其他噪聲源。光電二極管靈敏度在低光應(yīng)用中非常重要，通常通過噪聲等效功率 (NEP) 進行量化，噪聲等效功率定義為在探測器輸出處產(chǎn)生單位信噪比的光功率。NEP 通常在給定波長和 1 Hz 頻率帶寬上指定，因此以 W/Hz 1/2為單位表示。
光敏二極管五、性能
由于各種性能參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，因此器件設(shè)計通常需要仔細權(quán)衡以實現(xiàn)最佳性能。例如，基于檢測未聚焦光源的應(yīng)用可能需要具有大活動區(qū)域的檢測器。如果該應(yīng)用也需要高速，則必須做出一些妥協(xié)，因為增加器件面積會增加電容，從而增加 RC 時間常數(shù)，從而減慢器件響應(yīng)。因此，大多數(shù)成功的 OEM 應(yīng)用都使用特定于應(yīng)用的光電二極管。大多數(shù)性能參數(shù)，特別是速度和噪聲，也受到信號處理電子設(shè)備設(shè)計的強烈影響。然而，即使是簡單的光電二極管的電氣特性也可能非常復(fù)雜，因此工程師通常用等效電路來表示光電二極管。這是一個由多個組件組成的虛擬電路，其整體行為與光電二極管的行為相匹配。例如，除了串聯(lián)電阻之外，某些光電二極管還可以表示為與二極管、電容器和分流電阻并聯(lián)的電流源。在更復(fù)雜的器件中，各種噪聲源(散粒噪聲、約翰遜噪聲和 1/f 噪聲)可以表示為與信號電流源并聯(lián)的附加電流源。
光敏二極管六、光譜響應(yīng)
pin光電二極管的一個限制是缺乏內(nèi)部增益——入射光子僅產(chǎn)生一對電子空穴。低光應(yīng)用需要具有內(nèi)部增益的探測器，以將信號提升到后續(xù)電子設(shè)備和信號處理器的本底噪聲之上。然而，多年來，提供這種增益的唯一設(shè)備是光電倍增管 (PMT)。雖然 PMT 提供高增益，但它有許多實際限制：它是一個體積龐大的真空管;它產(chǎn)生熱量;與光電二極管相比，它的線性度有限、光譜響應(yīng)范圍窄且 QE 低(< 25%)。幸運的是，雪崩光電二極管 (APD) 現(xiàn)在為大多數(shù) PMT 應(yīng)用提供了固態(tài)替代方案(見圖 3)。
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