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[光敏二极管]光敏二极管是什么

日期:2022-01-07

光敏二极管是一种带有 PN 结的半导体器件,可将光子(或光)转换为电流。P层有大量空穴(正),N层有大量电子(负)。光敏二极管可由多种材料制成,包括但不限于硅、锗和砷化铟镓。每种材料都使用不同的特性来实现成本效益、增加灵敏度、波长范围、低噪声水平,甚至响应速度。


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光敏二极管一、横截面

显示了典型光敏二极管的横截面。耗尽区由电子从N层扩散到P层和空穴从P层扩散到N层形成。这会在两层之间创建一个不存在自由载流子的区域。这会产生一个内置电压,以在耗尽区产生电场。这允许电流仅沿一个方向流动(阳极到阴极)。光敏二极管可以正向偏置,但产生的电流将沿相反方向流动。这就是为什么大多数光敏二极管都是反向偏置或根本不偏置的原因。有些光敏二极管不能在不损坏的情况下正向偏置。


光敏二极管二、释放电子

如果光子有足够的能量,光子可以撞击设备内的原子并释放电子。这会产生一个电子-空穴对(e- 和 h+),其中空穴只是一个电子的“空白空间”。如果光子被 P 层或 N 层吸收,如果电子空穴对距离耗尽区足够远(至少一个扩散长度),它们将作为热量在材料中重新结合。在耗尽区(或靠近耗尽区)吸收的光子将产生电子空穴对,由于电场的作用,这些电子空穴对将移动到相反的两端。阴极上的电子将向正电位移动,而阳极上的空穴将向负电位移动。这些移动的电荷载流子在光敏二极管中形成电流(光电流)。显示了光敏二极管(PN 结)的不同层以及顶部和底部的多个连接点。


光敏二极管三、关键性能规格

在选择合适的光敏二极管以及是否对光敏二极管进行反向偏置时,有四个主要参数。光敏二极管的响应(速度/时间)由 PN 结的电容决定。这是电荷载流子穿过 PN 结所需的时间。这直接受耗尽区宽度的影响。响应度是入射光产生的光电流与入射光功率之比。这通常以 A/W(电流超过功率)为单位表示。光敏二极管的典型响应曲线将显示 A/W 作为波长的函数。这称为量子效率。


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光敏二极管四、暗电流

暗电流是没有入射光时光敏二极管中的电流。这可能是光敏二极管系统中的主要噪声源之一。来自背景辐射的光电流也可以包括在此测量中。光敏二极管通常放置在不允许任何光线照射到光敏二极管的外壳中以测量暗电流。由于光敏二极管产生的电流可能非常小,暗电流水平会掩盖入射光在低光水平下产生的电流。暗电流随温度增加。如果没有偏置,暗电流可以非常低。理想的光敏二极管没有暗电流。击穿电压是在漏电流或暗电流呈指数增长之前可以施加到光敏二极管的最大反向电压。光敏二极管应在施加的最大反向偏压以下操作,否则可能会损坏光敏二极管。击穿电压随温度升高而降低。


光敏二极管五、波长灵敏度

其他重要参数包括材料、光敏二极管和有源区域的尺寸以及成本。在为您的研究或应用浏览光敏二极管时需要仔细考虑。由不同材料(硅、锗、砷化铟镓磷化物或砷化铟镓)制成的光敏二极管具有不同的灵敏度以及不同的速度和暗电流。例如,硅为 ~400 到 1000 nm 之间的波长提供灵敏度。然而,它在更高的波长(~900 nm)下具有最高的灵敏度。另一方面,锗为 ~800 到 1600 nm(峰值 ~1400 nm)之间的波长提供灵敏度。在找到合适的光敏二极管以集成到您的激光二极管系统中时,光敏二极管的材料至关重要。


光敏二极管六、概括

在决定是否反向偏置您的光敏二极管时,这一切都归结为平衡速度和噪声并决定什么是最重要的。如果您的应用需要极低的噪声和低暗电流,您应该选择不对光敏二极管进行偏置。如果速度是您的主要关注点,您应该选择反向偏置您的光敏二极管,因为响应时间得到改善。换句话说,如果您的应用是基于精度的,光伏模式将更适合您的需求。如果您的应用基于速度(高速),光电导模式或反向偏置模式将更适合该领域。反向偏置光敏二极管将比无偏置模式响应更快。如果在光伏模式下运行,则可能需要放大响应。


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