光电二极管是一种具有 PN 结的半导体器件，可将光子(或光)转换为电流。P层有丰富的空穴(正)，N层有丰富的电子(负)。光电二极管可由多种材料制造，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、提高灵敏度、波长范围、低噪声水平，甚至响应速度。显示了典型光电二极管的横截面。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。这在两层之间创建了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)。光电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电二极管被反向偏置或根本没有偏置的原因。一些光电二极管不能在没有。

光敏二极管一、损坏的情况下正向偏置

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+)，其中空穴只是电子的“空白空间”。如果光子在 P 层或 N 层中被吸收，如果电子空穴对距离耗尽区足够远(至少一个扩散长度)，它们将在材料中重新组合为热。在耗尽区(或附近)吸收的光子将产生电子空穴对，这些电子空穴对将由于电场而移动到相反的两端。电子将向阴极上的正电位移动，而空穴将向阳极上的负电位移动。这些移动的电荷载流子在光电二极管中形成电流(光电流)。图1显示了光电二极管的不同层(PN 结)以及顶部和底部的多个连接点。

光敏二极管二、关键性能规格

有四个主要参数用于选择正确的光电二极管以及是否对光电二极管进行反向偏置。光电二极管的响应(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。光电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。

光敏二极管三、电流

暗电流是没有入射光时光电二极管中的电流。这可能是光电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含在该测量中。光电二极管通常放置在不允许任何光线照射到光电二极管的外壳中以测量暗电流。由于光电二极管产生的电流可能非常小，暗电流水平会掩盖在低光照水平下入射光产生的电流。暗电流随温度增加。在没有偏置的情况下，暗电流可以非常低。理想的光电二极管不会有暗电流。击穿电压是在漏电流或暗电流呈指数增加之前可以施加到光电二极管的最大反向电压。光电二极管应在此施加的最大反向偏压以下运行，否则可能会损坏光电二极管。击穿电压随温度升高而降低。

光敏二极管四、类型

PN结：这是最基本的光电二极管。PN 结光电二极管如何工作的物理原理已在前面进行了回顾。PIN 和 APD 光电二极管是 PN 结的变体。耗尽区包含很少的自由电荷载流子，耗尽区的宽度可以通过添加电压偏置来控制。基于 P 和 N 掺杂材料，通过光电二极管的电流只能沿一个方向流动。如果反向偏置，电流将不会流过光电二极管，而入射光不会产生光电流。

光敏二极管五、PIN光电二极管

PIN 光电二极管类似于 PN 结，但有一个主要区别。不是将 P 层和 N 层放置在一起以创建耗尽区，而是将本征层放置在两个掺杂层之间。该层如图 2所示。该本征层具有高电阻并增加光电二极管中的电场强度。增加本征层有很多好处，因为耗尽区大大增加。结的电容减小，因此光电二极管的速度增加。增加的层还允许更大体积的光子到电子-空穴的转换和更高的量子效率。

光敏二极管六、光导模式反向偏置

当光电二极管反向偏置时，外部电压被施加到 PN 结。负极接正极P层，正极接负极N层。这导致 N 层中的自由电子被拉向正极端子，而 P 层中的空穴被拉向负极端子。当对光电二极管施加外部电压时，自由电子从负极开始，立即用电子填充 P 层中的空穴。这会在具有额外电子的原子中产生负离子。然后带电原子阻止自由电子流向 P 层。类似地，空穴进行相同的过程以产生正离子，但方向相反。当反向偏置时，反向偏压导致耗尽区的电位增加，耗尽区的宽度增加。这是创建大面积以吸收最大数量的光子的理想选择。通过增加耗尽层的尺寸，反向偏压可以减少响应时间。这种增加的宽度会降低结电容并增加光电二极管中载流子的漂移速度。减少了载体的运输时间，提高了响应时间。

光敏二极管七、与激光二极管集成

监控光电二极管通常由激光二极管制造商集成到激光二极管封装中。它产生与输出激光二极管光功率部分成比例的电流。如果光电二极管电流用作反馈，控制系统将尝试保持光电二极管电流(以及因此激光二极管的光功率)恒定。可调电流源的输出会发生变化以保持光功率水平相同(这称为恒定功率 (CP) 模式)。光电二极管电流和激光二极管输出功率与激光二极管数据表中给出的传递函数相关。

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