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(guò)透明小窗、光導(dǎo)纖維封裝,來(lái)允許光到達(dá)這種器件的光敏感區(qū)域來(lái)檢測(cè)光信號(hào)。許多用來(lái)設(shè)計(jì)光電二極管的二極管使用了一個(gè)PIN結(jié),而不是一般的PN結(jié),來(lái)增加器件對(duì)信號(hào)的響應(yīng)速度。光電二極管常常被設(shè)計(jì)為工作在反向偏置狀態(tài)。
工作原理
一個(gè)光電二極管的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)通常是一個(gè)PN結(jié)或者PIN結(jié)。當(dāng)一個(gè)具有充足能量的光子沖擊到二極管上,它將激發(fā)一個(gè)電子,從而產(chǎn)生自由電子(同時(shí)有一個(gè)帶正電的空穴)。這樣的機(jī)制也被稱作是內(nèi)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(chǎng)將會(huì)消除其間的屏障,使得空穴能夠向著陽(yáng)極的方向運(yùn)動(dòng),電子向著陰極的方向運(yùn)動(dòng),于是光電流就產(chǎn)生了。實(shí)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(lái)提高器件對(duì)光的靈敏度。
光電壓模式
當(dāng)偏置為0時(shí),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(shì)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(shí),光電二極管常常被反向偏置,急劇的降低了其響應(yīng)時(shí)間,但是噪聲不得不增加作為代價(jià)。同時(shí),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(shí)間減少。反向偏置會(huì)造成微量的電流(飽和電流),這一電流與光電流同向。對(duì)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。
盡管這一模式響應(yīng)速度快,但是它會(huì)引發(fā)更大的信號(hào)噪聲。一個(gè)良好的PIN二極管的泄漏電流很?。ㄐ∮?納安),因此負(fù)載電阻的約翰遜·奈奎斯特噪聲(Johnson–Nyquist noise)會(huì)造成較大的影響。
其他工作模式
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(guò)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(jìn)一步改善器件的響應(yīng)率。
光電晶體管從根本上來(lái)說(shuō)是一個(gè)雙極性晶體管被封裝在一個(gè)透明的箱子里,使得光可以到達(dá)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(gè)光電二極管。光電晶體管的響應(yīng)時(shí)間更長(zhǎng)。
材料
用于制作光電二極管的材料對(duì)于產(chǎn)品屬性至關(guān)重要,因?yàn)橹挥芯邆涑渥隳芰抗庾幽軌蚣ぐl(fā)電子穿過(guò)能隙,從而產(chǎn)生顯著的光電流。
下表包括了用于制造光電二極管的常見材料:
由于硅光電二極管具有更大的能隙,因此它在應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的信號(hào)噪聲比鍺光電二極管小。
性能參數(shù)
光電二極管的一些關(guān)鍵性能參數(shù)包括以下幾項(xiàng)。
響應(yīng)率
響應(yīng)率定義為光電導(dǎo)模式下產(chǎn)生的光電流與突發(fā)光照的比例,單位為安培/瓦特(A/W)。響應(yīng)特性也可以表達(dá)為量子效率),即光照產(chǎn)生的載流子數(shù)量與突發(fā)光照光子數(shù)的比例。
暗電流
在光電導(dǎo)模式下,當(dāng)不接受光照時(shí),通過(guò)光電二極管的電流被定義為暗電流。暗電流包括了輻射電流以及半導(dǎo)體結(jié)的飽和電流。暗電流必須預(yù)先測(cè)量,特別是當(dāng)光電二極管被用作精密的光功率測(cè)量時(shí),暗電流產(chǎn)生的誤差必須認(rèn)真考慮并加以校正。
等效噪聲功率
等效噪聲功率(英語(yǔ):Noise-equivalent power, NEP)是指能夠產(chǎn)生光電流所需的最小光功率,與1赫茲時(shí)的噪聲功率均方根值相等。與此相關(guān)的一個(gè)特性被稱作是探測(cè)能力(detectivity, D),它等于等效噪聲功率的倒數(shù)。等效噪聲功率大約等于光電二極管的最小可探測(cè)輸入功率。
當(dāng)光電二極管被用在光通信系統(tǒng)中時(shí),這些參數(shù)直接決定了光接收器的靈敏度,即獲得指定比特誤碼率的最小輸入功率。
應(yīng)用
PN結(jié)型光電二極管與其他類型的光探測(cè)器一樣,在諸如光敏電阻、感光耦合元件以及光電倍增管等設(shè)備中有著廣泛應(yīng)用。它們能夠根據(jù)所受光的照度來(lái)輸出相應(yīng)的模擬電信號(hào)(例如測(cè)量儀器)或者在數(shù)字電路的不同狀態(tài)間切換(例如控制開關(guān)、數(shù)字信號(hào)處理)。
光電二極管在消費(fèi)電子產(chǎn)品,例如CD播放器、煙霧探測(cè)器以及控制電視機(jī)、空調(diào)的紅外線遙控設(shè)備中也有應(yīng)用。對(duì)于許多應(yīng)用產(chǎn)品來(lái)說(shuō),可以使用光電二極管或者其他光導(dǎo)材料。它們都可以被用于測(cè)量光,常常工作在照相機(jī)的測(cè)光器、路燈亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)等。
所有類型的光傳感器都可以用來(lái)檢測(cè)突發(fā)的光照,或者探測(cè)同一電路系統(tǒng)內(nèi)部的發(fā)光。光電二極管常常和發(fā)光器件(通常是發(fā)光二極管)被合并在一起組成一個(gè)模塊,這個(gè)模塊常被稱為光電耦合元件。如果這樣就能通過(guò)分析接收到光照的情況來(lái)分析外部機(jī)械元件的運(yùn)動(dòng)情況(例如光斬波器)。光電二極管另外一個(gè)作用就是在模擬電路以及數(shù)字電路之間充當(dāng)中介,這樣兩段電路就可以通過(guò)光信號(hào)耦合起來(lái),這可以提高電路的安全性。
在科學(xué)研究和工業(yè)中,光電二極管常常被用來(lái)精確測(cè)量光強(qiáng),因?yàn)樗绕渌鈱?dǎo)材料具有更良好的線性。
在醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備中,光電二極管也有著廣泛的應(yīng)用,例如X射線計(jì)算機(jī)斷層成像以及脈搏探測(cè)器。
PIN結(jié)型光電二極管一般不用來(lái)測(cè)量很低的光強(qiáng)。如果弱光情況下需要高靈敏度探測(cè)器,雪崩光電二極管、感光耦合元件或者光電倍增管就能發(fā)揮作用,例如天文學(xué)、光譜學(xué)、夜視設(shè)備、激光測(cè)距儀等應(yīng)用產(chǎn)品。
與光電倍增管的比較
比光電倍增管更加優(yōu)越的特性:
1.更好的線性
2.從190納米到1100納米(硅)的響應(yīng)光譜范圍
3.低噪聲
4.被加固以適應(yīng)機(jī)械擠壓
5.價(jià)格低廉
6.結(jié)實(shí)但自重較輕
7.使用壽命長(zhǎng)
8.無(wú)需高壓電源即可工作
缺點(diǎn):
1.面積太小
2.沒有內(nèi)部增益(雪崩光電二極管除外,而且即使是雪崩光電二極管,其內(nèi)部增益也通常只有102–103 ,遠(yuǎn)低于光電倍增管的108數(shù)量級(jí)
3.總的來(lái)說(shuō)靈敏度更低
4.只有具有特殊設(shè)計(jì)的產(chǎn)品才能對(duì)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)
5.許多產(chǎn)品設(shè)計(jì)的響應(yīng)時(shí)間更慢
光電二極管組
一個(gè)由上千個(gè)光電二極管組成的一維管組可以用來(lái)構(gòu)成位置傳感器、角度傳感器。
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