日期：2024-06-11
光敏二極管是一種具有 PN 結(jié)的半導(dǎo)體器件，可將光子(或光)轉(zhuǎn)換為電流。P 層具有大量空穴(正極)，N 層具有大量電子(負(fù)極)。光電二極管可以由多種材料制成，包括但不限于硅、鍺和砷化銦鎵。每種材料都利用不同的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)成本效益、更高的靈敏度、波長(zhǎng)范圍、低噪音水平甚至響應(yīng)速度。顯示了典型光電二極管的橫截面。耗盡區(qū)是由電子從 N 層擴(kuò)散到 P 層以及空穴從 P 層擴(kuò)散到 N 層形成的。這在兩層之間創(chuàng)建了一個(gè)不存在自由載流子的區(qū)域。這會(huì)產(chǎn)生內(nèi)置電壓，從而在耗盡區(qū)上產(chǎn)生電場(chǎng)。這允許電流僅朝一個(gè)方向流動(dòng)(陽(yáng)極到陰極)。光電二極管可以正向偏置，但產(chǎn)生的電流將朝相反方向流動(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沒(méi)有偏置的原因。有些光敏二極管不能正向偏置，否則
會(huì)損壞。
光敏二極管一、釋放電子
如果光子具有足夠的能量，它可以撞擊設(shè)備內(nèi)的原子并釋放出電子。這會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì) (e- 和 h+)，其中空穴對(duì)于電子來(lái)說(shuō)僅僅是一個(gè)“空空間”。如果光子被 P 層或 N 層吸收，并且電子空穴對(duì)距離耗盡區(qū)足夠遠(yuǎn)(至少一個(gè)擴(kuò)散長(zhǎng)度)，則它們將在材料中以熱量的形式重新結(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)，它們會(huì)在電場(chǎng)的作用下移動(dòng)到相反的兩端。電子將移向陰極上的正電位，而空穴將移向陽(yáng)極上的負(fù)電位。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)。圖 1顯示了光電二極管(PN 結(jié))的不同層以及頂部和底部的多個(gè)連接點(diǎn)。
光敏二極管二、主要性能規(guī)格
在選擇正確的光敏二極管以及是否對(duì)光電二極管進(jìn)行反向偏置時(shí)，主要使用四個(gè)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。它是電荷載流子穿過(guò) PN 結(jié)所需的時(shí)間。這直接受到耗盡區(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的比率。這通常以 A/W(電流除以功率)為單位表示。光敏二極管的典型響應(yīng)度曲線(xiàn)將顯示 A/W 與波長(zhǎng)的關(guān)系。這稱(chēng)為量子效率。暗電流是沒(méi)有入射光時(shí)光電二極管中的電流。這可能是光電二極管系統(tǒng)中的主要噪聲源之一。背景輻射產(chǎn)生的光電流也可以包括在此測(cè)量中。光敏二極管通常被放置在一個(gè)不允許任何光線(xiàn)照射到光電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，因此暗電流水平可能會(huì)掩蓋低光照水平下入射光產(chǎn)生的電流。暗電流隨溫度而增加。如果沒(méi)有偏置，暗電流可能會(huì)非常低。理想的光電二極管沒(méi)有暗電流。
光敏二極管三、反向電壓
擊穿電壓是漏電流或暗電流呈指數(shù)增加之前可以施加到光電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運(yùn)行，否則可能會(huì)損壞光電二極管。擊穿電壓隨溫度升高而降低。其他重要參數(shù)包括材料、光電二極管和有效面積的大小以及成本。在為您的研究或應(yīng)用瀏覽光電二極管時(shí)，需要仔細(xì)考慮。由不同材料(硅、鍺、銦鎵砷磷化物或銦鎵砷)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，硅對(duì)波長(zhǎng)在 ~400 到 1000 nm 之間提供靈敏度。但是，它在較高波長(zhǎng)(~900 nm)下具有最高靈敏度。另一方面，鍺對(duì)波長(zhǎng)在 ~800 到 1600 nm 之間(峰值 ~1400 nm)提供靈敏度。在尋找合適的光電二極管以整合到您的激光二極管系統(tǒng)中時(shí)，光電二極管的材料至關(guān)重要。
光敏二極管四、類(lèi)型
PN 結(jié)這是最基本的光敏二極管。前面已經(jīng)回顧了 PN 結(jié)光敏二極管工作原理的物理原理。PIN 和 APD 光敏二極管是 PN 結(jié)的變體。耗盡區(qū)包含少量自由電荷載流子，并且可以通過(guò)添加電壓偏置來(lái)控制耗盡區(qū)的寬度。根據(jù) P 和 N 摻雜材料，通過(guò)光電二極管的電流只能沿一個(gè)方向流動(dòng)。如果反向偏置，則在沒(méi)有入射光產(chǎn)生光電流的情況下，電流不會(huì)流過(guò)光電二極管。
光敏二極管五、高電阻性
PIN 光敏二極管與 PN 結(jié)類(lèi)似，但有一個(gè)主要區(qū)別。它不是將 P 層和 N 層放在一起以形成耗盡區(qū)，而是在兩個(gè)摻雜層之間放置一個(gè)本征層。該層如圖2所示。該本征層具有高電阻性，可增加光電二極管中的電場(chǎng)強(qiáng)度。由于耗盡區(qū)大大增加，因此增加本征層有很多好處。結(jié)電容減小，因此光電二極管的速度增加。增加的層數(shù)還允許更大的光子到電子空穴的轉(zhuǎn)換量和更高的量子效率。
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