光电二极管由半导体材料制成。最流行的选择是硅 (Si) 或砷化镓 (GaAs)，其他包括锑化铟 (InSb)、砷化铟 (InAs)、硒化铅 (PbSe) 和硫化铅 (PbS)。这些材料吸收特定波长范围内的光，例如：硅为 250 nm 至 1100 nm，GaAs 为 800 nm 至 2.0 µm。当光的光子被吸收时，它会激发一个电子并产生一对电荷载流子——一个电子和一个空穴，其中空穴只是半导体晶格中不存在电子的情况。当电荷载流子分离并沿相反方向移动时，电流通过半导体。光电二极管的技巧是在光子感应的电荷载流子有机会重新组合之前，在电极处以电流或电压的形式收集它们。

光敏二极管一、产生过量电子

n型半导体材料被掺杂以产生过量的电子，而p型材料则具有过量的空穴或电子不足。在pn结处，这种差异会产生浓度梯度，导致电子扩散到p层，空穴扩散到n层。这种扩散会产生相反的电势，通常称为内部偏置(见图 1)。在跨越结两侧的区域中，该电力导致任何电荷载流子快速扫至适当的层。由于电荷载流子不能驻留在该区域，因此它被称为耗尽区(见图 2)。在pin光电二极管中，光子吸收产生的电荷载流子通过内部(和任何外部)电压偏置扫过结，从而在电极上产生小光电流。

光敏二极管二、p型层进入器件

在通用pin光电二极管中，光通过薄p型层进入器件。吸收导致光强度随着穿透深度呈指数下降。耗尽区吸收的任何光子都会产生电荷载流子，这些载流子会立即分离并通过自然内部偏压扫过结。在耗尽区外部产生的电荷载流子将随机移动，其中许多最终进入耗尽区并快速扫过结。其中一些会重新组合并消失，而不会到达耗尽区。电荷载流子穿过结的这种运动破坏了电平衡并产生小的光电流，可以在电极处检测到。

光敏二极管三、光伏操作

在许多应用中，希望最大化耗尽区的厚度。例如，当大部分电荷载流子在耗尽区中产生时，器件响应速度更快。这也提高了器件的量子效率，因为大多数电荷载流子将没有机会重新组合。量子效率定义为电子中的光电流与光子中的入射光强度的比率。耗尽区的厚度可以通过改变半导体掺杂水平来改变。然而，扩展该层的最简单方法是施加外部电偏压(电压)。这被称为光电导操作，因为信号被检测为电流。传统的无偏操作被称为光伏操作，因为信号被检测为电压。后者更适合需要高线性响应和/或低暗噪声的应用。

光敏二极管四、设备优化

制造商生产各种形状和尺寸的光电二极管，每种设计都经过优化以满足指定参数。最重要的性能特征是响应速度、感兴趣波长的量子效率、有源区域的大小和形状、响应线性度、响应的空间均匀性以及影响灵敏度的暗噪声或其他噪声源。光电二极管灵敏度在低光应用中非常重要，通常通过噪声等效功率 (NEP) 进行量化，噪声等效功率定义为在探测器输出处产生单位信噪比的光功率。NEP 通常在给定波长和 1 Hz 频率带宽上指定，因此以 W/Hz 1/2为单位表示。

光敏二极管五、性能

由于各种性能参数是相互关联的，因此器件设计通常需要仔细权衡以实现最佳性能。例如，基于检测未聚焦光源的应用可能需要具有大活动区域的检测器。如果该应用也需要高速，则必须做出一些妥协，因为增加器件面积会增加电容，从而增加 RC 时间常数，从而减慢器件响应。因此，大多数成功的 OEM 应用都使用特定于应用的光电二极管。大多数性能参数，特别是速度和噪声，也受到信号处理电子设备设计的强烈影响。然而，即使是简单的光电二极管的电气特性也可能非常复杂，因此工程师通常用等效电路来表示光电二极管。这是一个由多个组件组成的虚拟电路，其整体行为与光电二极管的行为相匹配。例如，除了串联电阻之外，某些光电二极管还可以表示为与二极管、电容器和分流电阻并联的电流源。在更复杂的器件中，各种噪声源(散粒噪声、约翰逊噪声和 1/f 噪声)可以表示为与信号电流源并联的附加电流源。

光敏二极管六、光谱响应

pin光电二极管的一个限制是缺乏内部增益——入射光子仅产生一对电子空穴。低光应用需要具有内部增益的探测器，以将信号提升到后续电子设备和信号处理器的本底噪声之上。然而，多年来，提供这种增益的唯一设备是光电倍增管 (PMT)。虽然 PMT 提供高增益，但它有许多实际限制：它是一个体积庞大的真空管;它产生热量;与光电二极管相比，它的线性度有限、光谱响应范围窄且 QE 低(< 25%)。幸运的是，雪崩光电二极管 (APD) 现在为大多数 PMT 应用提供了固态替代方案(见图 3)。

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