光電二極管

三個硅光電二極管(前兩個)以及一個鍺光電二極管(最后一個)

光電二極管的符號

光電二極管(英語：photodiode )是一種能夠?qū)⒐飧鶕?jù)使用方式，轉(zhuǎn)換成電流或者電壓信號的光探測器。 常見的傳統(tǒng)太陽能電池就是通過大面積的光電二極管來產(chǎn)生電能。

光電二極管與常規(guī)的半導(dǎo)體二極管基本相似，只是光電二極管可以直接暴露在光源附近或通過透明小窗、光導(dǎo)纖維封裝，來允許光到達這種器件的光敏感區(qū)域來檢測光信號。許多用來設(shè)計光電二極管的二極管使用了一個PIN結(jié)，而不是一般的PN結(jié)，來增加器件對信號的響應(yīng)速度。光電二極管常常被設(shè)計為工作在反向偏置狀態(tài)。

工作原理

光電二極管的工作曲線

一個光電二極管的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常是一個PN結(jié)或者PIN結(jié)。當(dāng)一個具有充足能量的光子沖擊到二極管上，它將激發(fā)一個電子，從而產(chǎn)生自由電子(同時有一個帶正電的空穴)。這樣的機制也被稱作是光電效應(yīng)。如果光子的吸收發(fā)生在結(jié)的耗盡層，則該區(qū)域的內(nèi)電場將會消除其間的屏障，使得空穴能夠向著陽極的方向運動，電子向著陰極的方向運動，于是光電流就產(chǎn)生了。實際的光電流是暗電流和光照產(chǎn)生電流的綜合，因此暗電流必須被最小化來提高器件對光的靈敏度。[3]

光電壓模式

當(dāng)偏置為0時，光電二極管工作在光電壓模式，這是流出光電二極管的電流被抑制，兩端電勢差積累到一定數(shù)值。

光電導(dǎo)模式

當(dāng)工作在這一模式時，光電二極管常常被反向偏置，急劇的降低了其響應(yīng)時間，但是噪聲不得不增加作為代價。同時，耗盡層的寬度增加，從而降低了結(jié)電容，同樣使得響應(yīng)時間減少。反向偏置會造成微量的電流(飽和電流)，這一電流與光電流同向。對于指定的光譜分布，光電流與入射光照度之間呈線性比例關(guān)系。[4]

盡管這一模式響應(yīng)速度快，但是它會引發(fā)更大的信號噪聲。一個良好的PIN二極管的泄漏電流很小(小于1納安)，因此負(fù)載電阻的約翰遜·奈奎斯特噪聲(Johnson–Nyquist noise)會造成較大的影響。

其他工作模式

參見：雪崩光電二極管

雪崩光電二極管具有和常規(guī)光電二極管相似的結(jié)構(gòu)，但是需要高得多的反向偏置電壓。這將允許光照產(chǎn)生的載流子通過雪崩擊穿大量增加，在光電二極管內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)部增益，從而進一步改善器件的響應(yīng)率。

光電晶體管從根本上來說是一個雙極性晶體管被封裝在一個透明的箱子里，使得光可以到達其基極、集電極之間的結(jié)上。在基極、集電極之間的結(jié)上由光子激發(fā)的電子被注入到基極，這光電流被晶體管以增益β放大。如果射極沒有連接，則光電晶體管就成為了一個光電二極管。光電晶體管的響應(yīng)時間更長。