1 、簡述

光電二極管（英文：photodiode ,中文也稱“光敏二極管” ）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（硅電池）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。許多用來設計光電二極管的二極管使用了一個PIN結，而不是一般的PN結，來增加器件對信號的響應速度。光電二極管的電氣（原理圖）符號和常見實物外觀如下圖（1）所示：

 

2 、工作原理

如圖（2）所示，一個光電二極管的基礎結構通常是一個PN結或者PIN結，常常被設計為工作在反向偏置狀態(tài)。當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內(nèi)光電效應。如果光子的吸收發(fā)生在結的耗盡層，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、工作曲線&模式

光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。如下圖（3）所示，沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流（Dark Current） 。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子---空穴對，稱為光生載流子。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。這種特性稱為“光電導”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。 

光電二極管可以工作在這兩個模式中的一個: 光導模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。 工作模式的選擇根據(jù)應用中速度和可接受暗電流大小(漏電流)而定。

處于光導模式時，有一個外加的偏壓，這是光電二極管的工作基礎。 電路中測得的電流代表器件接受到的光照; 測量的輸出電流與輸入光功率成正比。 外加偏壓使得耗盡區(qū)的寬度增大，響應度增大，結電容變小，響應度趨向直線。 工作在這些條件下容易產(chǎn)生很大的暗電流，但可以選擇光電二極管的材料以限制其大小。

光伏模式下，光電二極管是零偏置的。 器件的電流流動被限制，形成一個電壓。 這種工作模式利用了光伏效應，它是太陽能電池的基礎。 當工作在光伏模式時，暗電流最小。 

4 、種類

4.1  PN型光電二極管

特性：優(yōu)點是暗電流小，一般情況下，響應速度較低。

用途：照度計、彩色傳感器、光電三極管、線性圖像傳感器、分光光度計、照相機曝光計。

4.2  PIN型光電二極管

特性：缺點是暗電流大，因結容量低，故可獲得快速響應。

用途：高速光的檢測、光通信、光纖、遙控、光電三極管、寫字筆、傳真。

4.3  發(fā)射鍵型光電二極管

特性：使用Au薄膜與N型半導體結代替P型半導體

用途：主要用于紫外線等短波光的檢測

4.4  雪崩型光電二極管

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構，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率。

特性：響應速度非?？欤蚓哂斜端僮饔茫士蓹z測微弱光。

用途：高速光通信、高速光檢測

5 、主要參數(shù)

光電二極管的一些關鍵性能參數(shù)包括以下幾項：

5.1 響應率

如下圖所示，響應率定義為光電導模式下產(chǎn)生的光電流與激發(fā)光照的比例，單位為安培/瓦特（A/W）。響應特性也可以表達為量子效率），即光照產(chǎn)生的載流子數(shù)量與激發(fā)光照光子數(shù)的比例。 

5.2 暗電流

在光電導模式下，當不接受光照時，通過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體結的飽和電流。暗電流必須預先測量，特別是當光電二極管被用作精密的光功率測量時，暗電流產(chǎn)生的誤差必須認真考慮并加以校正。

5.3 響應時間

一個光子被半導體材料吸收，將會產(chǎn)生一對電子-空穴對，并在偏壓電場的作用下分別向兩個相反的方向運動，進而產(chǎn)生電流。電流產(chǎn)生時間受到載流子渡越時間限制，可通過Ramo定理進行估算。同時，光電二極管的電阻（http://www.xmllh.com/catalog/308.html）和電容與外電流產(chǎn)生另一個時間響應，稱為RC時間常數(shù)。RC進一步延遲了器件的響應。在光通信系統(tǒng)中，器件的響應時間決定了可接受光信號的調(diào)制頻率。

5.4 結電容

結電容（Cj）是光電二極管的一個重要性質(zhì)，對光電二極管的帶寬和響應有很大影響。需要注意的是，結區(qū)面積大的二極管結體積也越大，也擁有較大的充電電容。在反向偏壓應用中，結的耗盡區(qū)寬度增加，會有效地減小結電容，增大響應速度。

5.5 等效噪聲功率

等效噪聲功率（英語：Noise-equivalent power, NEP）是指能夠產(chǎn)生光電流所需的最小光功率，與1赫茲時的噪聲功率均方根值相等。與此相關的一個特性被稱作是探測能力（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輸入功率。當光電二極管被用在光通信系統(tǒng)中時，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。

6 、應用(舉例)

PN結型光電二極管與其他類型的光探測器一樣，在諸如光敏電阻、感光耦合元件以及光電倍增管等設備中有著廣泛應用。它們能夠根據(jù)所受光的照度來輸出相應的模擬電信號（例如測量儀器）或者在數(shù)字電路的不同狀態(tài)間切換（例如控制開關、數(shù)字信號處理）。

光電二極管在消費電子產(chǎn)品，例如CD播放器、煙霧探測器以及控制電視機、空調(diào)的紅外線遙控設備中也有應用。對于許多應用產(chǎn)品來說，可以使用光電二極管或者其他光導材料。它們都可以被用于測量光，常常工作在照相機的測光器、路燈亮度自動調(diào)節(jié)等。

所有類型的光傳感器都可以用來檢測突發(fā)的光照，或者探測同一電路系統(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模塊，這個模塊常被稱為光電耦合元件。如果這樣就能通過分析接收到光照的情況來分析外部機械元件的運動情況（例如光斬波器）。光電二極管另外一個作用就是在模擬電路以及數(shù)字電路之間充當中介，這樣兩段電路就可以通過光信號耦合起來，這可以提高電路的安全性。

在科學研究和工業(yè)中，光電二極管常常被用來精確測量光強，因為它比其他光導材料具有更良好的線性。

在醫(yī)療應用設備中，光電二極管也有著廣泛的應用，例如X射線計算機斷層成像以及脈搏探測器。

PIN結型光電二極管一般不用來測量很低的光強。如果弱光情況下需要高靈敏度探測器，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、光譜學、夜視設備、激光測距儀等應用產(chǎn)品。

下面給出一些方案的簡易應用圖：

6.1 光電二極管做成一個高速光電耦合器 

6.2  障礙物探測  （如尋跡小車）  

 

6.3  玩具槍靶環(huán) ( 激光亮點打中會響 )

6.4  RS232 串口信號的光電隔離 

6.5  激光密碼鎖 

相比無線電波容易被監(jiān)聽，此方案通過光電技術對鎖具進行控制，比如：發(fā)射端用激光筆，可實現(xiàn)一個遠程、安全的的車庫、家居的開鎖開門方案。

6.6  光纖通信 

6.7  一維條形碼的解碼應用 

通過移動導光管（掃描），光電二極管獲得條形碼的明暗紋的編碼數(shù)據(jù)，通過解碼可獲得原始數(shù)字。