光电二极管的全面指南：从符号、类型到应用场景等

光电二极管（Photodiode）是一种能够将光能转换为电能的半导体器件，通常由P型半导体和N型半导体组成的PN结构构成。它的工作原理基于内部光电效应，当光线照射到PN结时，光子的能量会激发半导体中的电子-空穴对，产生电子和空穴。在PN结上存在内建电场，这将导致电子和空穴被分离并向相应的电极漂移，从而产生电流。

光电二极管符号

光电二极管特性

在接下来的部分中，道合顺 将详细介绍光电二极管的特性，包括响应度、暗电流和等效噪声功率。

1. 响应能力

硅光电二极管的响应特性和响应率

硅光电二极管的响应定义为光电导模式下产生的光电流与突发照明的比率，以安培每瓦 (A/W) 表示。响应特性也可以表示为量子效率，即照明产生的载流子数量与突发照明光子数量的比值。

2、暗电流

在光电导模式下，当没有接收到光时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。光电二极管中的暗电流包括半导体结的辐射电流和饱和电流。必须提前测量暗电流，特别是当使用光电二极管进行精确光功率测量时，必须仔细考虑和纠正暗电流引起的误差。

3. 等效噪声功率

噪声等效功率（NEP）是指产生光电流所需的最小光功率，等于1Hz时噪声功率的均方根值。一个相关的属性称为探测率 (D)，它等于等效噪声功率的倒数。等效噪声功率约等于光电二极管的最小可检测输入功率。

当光电二极管用于光通信系统时，这些参数直接决定光接收器的灵敏度，即获得指定误码率的最小输入功率。

光电二极管类型

PIN光电二极管

PIN光电二极管也称为PIN结二极管、PIN二极管。在两个半导体之间的PN结中，或者在半导体与金属之间的结附近，在P区和N区之间形成I型层。I型层吸收光辐射以产生光电流。PIN光电二极管具有结电容小、渡越时间短、灵敏度高等优点。

工作准则

在上述光电二极管的PN结中间掺杂一层浓度很低的I型半导体，可以增加耗尽区的宽度，减少扩散运动的影响，提高响应速度。由于该掺杂层的掺杂浓度较低，几乎是本征（Intrinsic）半导体，因此称为I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。大部分入射光被I层吸收并产生大量电子空穴对。I层两侧是高掺杂浓度的P型和N型半导体，P层和N层都很薄，吸收入射光的比例很小。因此，光生电流的漂移分量占主导地位，这大大加快了响应速度。

PN光电二极管

当PN结受到能量大于禁带宽度Eg的光照射时，价带中的电子吸收光能后将跃迁到导带成为自由电子；同时，价带中留下自由空穴。这些由光照产生的自由电子和自由空穴统称为光生载流子。在反向电压的作用下，光生载流子参与传导，从而形成电流。这个电流是反向电流，但比没有光的暗电流大得多。通常，在光照下流过光电二极管的反向电流就是PN光电二极管的光电流。

光电流是由光生载流子参与传导形成的，光生载流子的数量直接取决于光强。因此，光电流必须随着入射光的强度而变化。这说明具有反向电压的光电二极管可以将光信号转换成电信号电流。

雪崩光电二极管

雪崩光电二极管是一种pn结光电检测二极管，利用载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号，以提高检测灵敏度。其基本结构常采用易产生雪崩倍增效应的Read二极管结构（即N+PIP+型结构，P+侧受光），工作时施加较大的反向偏压，使其达到雪崩倍增状态；其光吸收区与倍增区基本相同（有高电场的P区和I区）。

在PN结上施加合适的高反向偏压，使耗尽层中的光生载流子被强电场加速，获得足够高的动能，并与晶格碰撞，产生新的电子空穴对。它不断引起新的碰撞电离，导致载流子和电流增益的雪崩倍增。

一般光电二极管的反向偏压在几十伏以下，而APD的反向偏压一般在几百伏左右，接近反向击穿电压。当APD工作在高反向偏压下时，势垒区的电场很强，电子和空穴在势垒区漂移时获得很大的动能。

运作模式

典型的光电二极管模型包含以下关键元件，二极管与电流源并联，电流源与光强度成正比。寄生元件 CD 和 RD 会影响器件性能。

光伏模式

光电流在如图 2 所示的环路中流动，并对二极管施加正向偏置。由于二极管的电压和电流呈对数关系，空载输出电压和光电流近似为对数，并通过RD上的小电流进行校正。因此，输出电压与光强之间的关系是高度非线性的。某些应用将受益于对数关系，因为在很大范围内，光强度的变化将导致电压的类似变化。由于二极管的电压-电流特性与温度相关，因此电压和光强度之间的绝对关系很差。

在光伏模式下，二极管电容限制频率响应。光强度的快速变化可以对 CD 进行充电和放电。这不是一种快速响应的模式。

输出端可以是缓冲的，或者输出端也可以是同相放大的。为了实现低输入偏置电流，可以使用 CMOS 或JFET运算放大器。因此，在光照强度较低的情况下，运放不会成为光电二极管的负载。

对于光伏模式的输出功率，当输出引入负载时，电压会明显下降。为了输出最高功率，所使用的负载值由光强度决定。

光电导模式

二极管电压是恒定的，如图 3 所示，通常为 0V。通常使用跨阻抗放大器将光电流转换为电压。通过反向偏置可以减小光电二极管的电容，但这会导致暗电流泄漏。当二极管两端没有正向电压时，响应和光强度之间存在线性关系。另外，二极管电容两端的电压不随光强变化，因此频率响应大大提高。由于电容器在负反馈回路中形成极点，因此有必要减小电容器的值。为了实现稳定性，通常会引入反馈电容CF。

只需加载一个电阻约为 50 欧姆的光电二极管，您就可以从光电导模式中获得很多好处。如果二极管电压不超过20 mV，则无需对二极管进行正向偏置，并且响应合理且快速。但灵敏度会较低。

雪崩光电二极管是一种特殊模式，需要接近击穿电压的反向偏置电压。这允许在低光强度下放大输出电流。

选择光电二极管时需要进行许多权衡，包括光电二极管尺寸、电容、噪声、暗电流和封装类型。一般来说，最好选择较小的光电二极管，带有可以聚焦光源的反射镜或透镜。德州仪器 (TI) 不生产单独的光电二极管，但是，对于许多基本应用，OPT101 在单个芯片上集成了光电二极管和互阻抗放大器，提供了完整的解决方案。

光电二极管和光电晶体管的区别

光电二极管与光电晶体管

光电晶体管 和光电二极管是密切相关的电光传感器，可在位置、存在感测、光强度测量和高速光脉冲检测等应用中将入射光转换为电流。

然而，为了充分利用这些设备，设计人员需要特别注意接口电路、波长和光机对准。例如，需要合适的接口电路来在不同强度和条件下提取最大电流。然而，确保应用的有效性还需要了解光电晶体管和光电二极管的工作原理以及它们之间的差异。

光电二极管吸收光时产生电流。第一个是众所周知的光伏二极管，它在光照时会产生电流。第二个是光电导体，它是反向偏置的光电二极管。照射在光电二极管上的光会导致其对反向偏置电流的抵抗力降低。

测量该电流可以读取入射光的强度。从另一个角度来看，光电二极管可以用来限制电流，光线越多限制越少。在几乎所有情况下，光电二极管都必须与相关放大器（例如跨阻放大器 (TIA)）一起使用，以将电流转换为有用信号。

光电二极管和光电晶体管的特性差异

1. 光电晶体管比光电二极管稍微复杂一些，因为它是一个基极暴露的晶体管 .光子撞击器件会激活晶体管，但其他行为与传统晶体管相同。光电晶体管的等效电路是一个光电二极管，将光电流输出到小信号晶体管的基极。

2. 光电晶体管还有另一个不适用于光电二极管的重要考虑因素：晶体管可以用于有源模式和开关模式。在有源模式下，晶体管是一个模拟组件，其线性输出与光强度成正比。在开关模式下，晶体管充当数字元件，并且处于截止（截止）状态或饱和（导通）状态。

它们的具体工作模式由负载电阻RL的值决定。当 VCC > RL × ICC 时进入活动模式，当 VCC < RL × ICC 时进入开关模式，其中 IC 是最大预期电流，VCC 是电源电压。如果使用光电晶体管来评估光强度，则使用主动模式。如果光电晶体管用于检测光的存在（例如当卡位于插槽中时），则使用开关模式。

尽管光电晶体管和光电二极管密切相关，但存在明显的性能差异。一般来说，光电二极管的制造速度比光电晶体管快一到两个数量级，并且具有更宽的频率响应范围。这就是它们用于高速光纤链路中的光脉冲检测的原因。然而，光电二极管需要外部放大器，并且光电晶体管本身具有足够的电流增益来满足应用。

此外，光电二极管的性能参数（包括光灵敏度、漏电流和响应速度）随温度的变化比光电晶体管小。

光电二极管和太阳能电池之间的差异

光电二极管和太阳能电池虽然都是利用光能的半导体器件，但它们在工作原理、结构和应用方面存在一些显著的差异：

工作原理：

• 光电二极管：光电二极管基本上是一个半导体二极管，当光照射到它的 PN 结时，光子能量被转换为电子能量，从而导致 PN 结上产生电荷载流子，进而产生电流。光电二极管通常用作光电传感器或光检测器。

• 太阳能电池：太阳能电池也被称为光伏电池，它们利用光的能量直接将光能转换为电能。太阳能电池的工作原理是光生电压效应，当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子激发半导体中的电子，从而产生电压和电流。

结构：

• 光电二极管：通常由一个PN结组成，光照射到PN结区域会产生电流。

• 太阳能电池：太阳能电池由多个PN结（也称为电池片）组成，通常以一系列串联或并联的方式排列在一起，形成一个太阳能电池板。每个电池片产生的电流会被整合以产生更大的输出电流。

应用：

• 光电二极管：主要用于光电传感、光通信、光控制等应用，如光电探测器、光电开关等。

• 太阳能电池：主要用于太阳能光伏发电系统，将太阳光转换为电能，用于供电、充电或者发电。

光电二极管应用

光电二极管广泛应用于各种光电传感和光通信系统中。以下是一些光电二极管的常见应用：

1. 光通信：光电二极管用于光纤通信系统中的接收器。它们将光信号转换为电信号，以便在光纤传输中进行数据接收和解码。

2. 光测量和光传感：光电二极管可用于测量光强度、光功率和光频率等参数。它们在科学研究、工业检测、医疗诊断和环境监测等领域都有广泛的应用。

3. 光电控制：光电二极管可以作为光敏开关使用。通过控制光照的强度，可以实现对电路的开关控制，例如自动光控开关、日光灯控制等。

4. 光电检测：在许多自动化系统中，光电二极管用作光电传感器，用于检测物体的存在、位置或移动。例如，它们可以用于光电门、反光式传感器和位置传感器等应用。

5. 光电放大器：光电二极管在一些光学放大器中被用作探测器，如光电二极管放大器（PDA），用于检测低光强下的信号并放大它们。

这些仅仅是光电二极管应用的一部分，实际上它们在许多领域都有重要作用，并且随着技术的发展，其应用领域也在不断扩展和深化。