日期：2022-01-07
光敏二極管是一種帶有 PN 結的半導體器件，可將光子(或光)轉換為電流。P層有大量空穴(正)，N層有大量電子(負)。光敏二極管可由多種材料制成，包括但不限于硅、鍺和砷化銦鎵。每種材料都使用不同的特性來實現成本效益、增加靈敏度、波長范圍、低噪聲水平，甚至響應速度。
光敏二極管一、橫截面
顯示了典型光敏二極管的橫截面。耗盡區由電子從N層擴散到P層和空穴從P層擴散到N層形成。這會在兩層之間創建一個不存在自由載流子的區域。這會產生一個內置電壓，以在耗盡區產生電場。這允許電流僅沿一個方向流動(陽極到陰極)。光敏二極管可以正向偏置，但產生的電流將沿相反方向流動。這就是為什么大多數光敏二極管都是反向偏置或根本不偏置的原因。有些光敏二極管不能在不損壞的情況下正向偏置。
光敏二極管二、釋放電子
如果光子有足夠的能量，光子可以撞擊設備內的原子并釋放電子。這會產生一個電子-空穴對(e- 和 h+)，其中空穴只是一個電子的“空白空間”。如果光子被 P 層或 N 層吸收，如果電子空穴對距離耗盡區足夠遠(至少一個擴散長度)，它們將作為熱量在材料中重新結合。在耗盡區(或靠近耗盡區)吸收的光子將產生電子空穴對，由于電場的作用，這些電子空穴對將移動到相反的兩端。陰極上的電子將向正電位移動，而陽極上的空穴將向負電位移動。這些移動的電荷載流子在光敏二極管中形成電流(光電流)。顯示了光敏二極管(PN 結)的不同層以及頂部和底部的多個連接點。
光敏二極管三、關鍵性能規格
在選擇合適的光敏二極管以及是否對光敏二極管進行反向偏置時，有四個主要參數。光敏二極管的響應(速度/時間)由 PN 結的電容決定。這是電荷載流子穿過 PN 結所需的時間。這直接受耗盡區寬度的影響。響應度是入射光產生的光電流與入射光功率之比。這通常以 A/W(電流超過功率)為單位表示。光敏二極管的典型響應曲線將顯示 A/W 作為波長的函數。這稱為量子效率。
光敏二極管四、暗電流
暗電流是沒有入射光時光敏二極管中的電流。這可能是光敏二極管系統中的主要噪聲源之一。來自背景輻射的光電流也可以包括在此測量中。光敏二極管通常放置在不允許任何光線照射到光敏二極管的外殼中以測量暗電流。由于光敏二極管產生的電流可能非常小，暗電流水平會掩蓋入射光在低光水平下產生的電流。暗電流隨溫度增加。如果沒有偏置，暗電流可以非常低。理想的光敏二極管沒有暗電流。擊穿電壓是在漏電流或暗電流呈指數增長之前可以施加到光敏二極管的最大反向電壓。光敏二極管應在施加的最大反向偏壓以下操作，否則可能會損壞光敏二極管。擊穿電壓隨溫度升高而降低。
光敏二極管五、波長靈敏度
其他重要參數包括材料、光敏二極管和有源區域的尺寸以及成本。在為您的研究或應用瀏覽光敏二極管時需要仔細考慮。由不同材料(硅、鍺、砷化銦鎵磷化物或砷化銦鎵)制成的光敏二極管具有不同的靈敏度以及不同的速度和暗電流。例如，硅為 ~400 到 1000 nm 之間的波長提供靈敏度。然而，它在更高的波長(~900 nm)下具有最高的靈敏度。另一方面，鍺為 ~800 到 1600 nm(峰值 ~1400 nm)之間的波長提供靈敏度。在找到合適的光敏二極管以集成到您的激光二極管系統中時，光敏二極管的材料至關重要。
光敏二極管六、概括
在決定是否反向偏置您的光敏二極管時，這一切都歸結為平衡速度和噪聲并決定什么是最重要的。如果您的應用需要極低的噪聲和低暗電流，您應該選擇不對光敏二極管進行偏置。如果速度是您的主要關注點，您應該選擇反向偏置您的光敏二極管，因為響應時間得到改善。換句話說，如果您的應用是基于精度的，光伏模式將更適合您的需求。如果您的應用基于速度(高速)，光電導模式或反向偏置模式將更適合該領域。反向偏置光敏二極管將比無偏置模式響應更快。如果在光伏模式下運行，則可能需要放大響應。
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