光电二极管的工作原理

光电二极管的符号

    光电二极管(英语：photodiode )是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。 常见的传统太阳能电池就是通过大面积的光电二极管来产生电能。

    光电二极管与常规的半导体二极管基本相似，只是光电二极管可以直接暴露在光源附近或通过透明小窗、光导纤维封装，来允许光到达这种器件的光敏感区域来检测光信号。许多用来设计光电二极管的二极管使用了一个pin结，而不是一般的pn结，来增加器件对信号的响应速度。光电二极管常常被设计为工作在反向偏置状态。

    工作原理

光电二极管的工作曲线

    一个光电二极管的基础结构通常是一个pn结或者pin结。当一个具有充足能量的光子冲击到二极管上，它将激发一个电子，从而产生自由电子(同时有一个带正电的空穴)。这样的机制也被称作是光电效应。如果光子的吸收发生在结的耗尽层，则该区域的内电场将会消除其间的屏障，使得空穴能够向着阳极的方向运动，电子向着阴极的方向运动，于是光电流就产生了。实际的光电流是暗电流和光照产生电流的综合，因此暗电流必须被 小化来提高器件对光的灵敏度。[3]

    光电压模式

    当偏置为0时，光电二极管工作在光电压模式，这是流出光电二极管的电流被抑制，两端电势差积累到一定数值。

    光电导模式

    当工作在这一模式时，光电二极管常常被反向偏置，急剧的降低了其响应时间，但是噪声不得不增加作为代价。同时，耗尽层的宽度增加，从而降低了结电容，同样使得响应时间减少。反向偏置会造成微量的电流(饱和电流)，这一电流与光电流同向。对于指定的光谱分布，光电流与入射光照度之间呈线性比例关系。[4]

    尽管这一模式响应速度快，但是它会引发更大的信号噪声。一个良好的pin二极管的泄漏电流很小(小于1纳安)，因此负载电阻的约翰逊·奈奎斯特噪声(johnson–nyquist noise)会造成较大的影响。

    其他工作模式

    参见：雪崩光电二极管

    雪崩光电二极管具有和常规光电二极管相似的结构，但是需要高得多的反向偏置电压。这将允许光照产生的载流子通过雪崩击穿大量增加，在光电二极管内部产生内部增益，从而进一步改善器件的响应率。

    光电晶体管从根本上来说是一个双极性晶体管被封装在一个透明的箱子里，使得光可以到达其基极、集电极之间的结上。在基极、集电极之间的结上由光子激发的电子被注入到基极，这光电流被晶体管以增益β放大。如果射极没有连接，则光电晶体管就成为了一个光电二极管。光电晶体管的响应时间更长。

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