光電二極管
光電二極管（英語：photodiode）是一種能夠將光根據使用方式，轉換成電流或者電壓信號的光探測器。[1] 常見的傳統太陽能電池就是通過大面積的光電二極管來產生電能。
光電二極管與常規的半導體二極管基本相似，只是光電二極管可以直接暴露在光源附近或通過透明小窗、光導纖維封裝，來允許光到達這種器件的光敏感區域來檢測光信號。許多用來設計光電二極管的二極管使用了一個PIN接面，而不是一般的PN接面，來增加器件對信號的響應速度。光電二極管常常被設計為工作在反向偏置狀態。[2]
工作原理
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一個光電二極管的基礎結構通常是一個PN結或者PIN結構。當一個具有充足能量的光子衝擊到二極管上，它將激發一個電子，從而產生自由電子（同時有一個帶正電的空穴）。這樣的機制也被稱作是內光電效應。如果光子的吸收發生在結的耗盡層，則該區域的內電場將會消除其間的屏障，使得空穴能夠向着陽極的方向運動，電子向着陰極的方向運動，於是光電流就產生了。實際的光電流是暗電流和光照產生電流的綜合，因此暗電流必須被最小化來提高器件對光的靈敏度。[3]
光電壓模式
[編輯]當偏置為0時，光電二極管工作在光電壓模式，這時流出光電二極管的電流被抑制，兩端電勢差積累到一定數值。 (太陽能電池)
光電導模式
[編輯]當工作在這一模式時，光電二極管常常被反向偏置，急劇的降低了其響應時間，但是噪聲不得不增加作為代價。同時，耗盡層的寬度增加，從而降低了結電容，同樣使得響應時間減少。反向偏置會造成微量的電流（飽和電流），這一電流與光電流同向。對於指定的光譜分布，光電流與入射光照度之間呈線性比例關係。[4]
儘管這一模式響應速度快，但是它會引發更大的信號噪聲。一個良好PIN二極管的泄漏電流很小（小於1納安），因此負載電阻的約翰遜·奈奎斯特噪聲（Johnson–Nyquist noise）會造成較大的影響。
其他工作模式
[編輯]雪崩光電二極管具有和常規光電二極管相似的結構，但是需要高得多的反向偏置電壓。這將允許光照產生的載流子通過雪崩擊穿大量增加，在光電二極管內部產生內部增益，從而進一步改善器件的響應率。
光電晶體管從根本上來說是一個雙極性晶體管被封裝在一個透明的箱子裡，使得光可以到達其基極、集電極之間的結上。在基極、集電極之間的結上由光子激發的電子被注入到基極，這光電流被晶體管以增益β放大。如果射極沒有連接，則光電晶體管就成為了一個光電二極管。光電晶體管的響應時間更長。
材料
[編輯]用於製作光電二極管的材料對於產品屬性至關重要，因為只有具備充足能量光子能夠激發電子穿過能隙，從而產生顯著的光電流。
下表包括了用於製造光電二極管的常見材料：[5]
| 材料 | 電磁波譜 波長範圍（納米） |
|---|---|
| 硅 | 190–1100 |
| 鍺 | 400–1700 |
| 砷化銦鎵 | 800–2600 |
| 硫化鉛 | <1000–3500 |
由於硅光電二極管具有更大的能隙，因此它在應用過程中產生的信號噪聲比鍺光電二極管小。
性能參數
[編輯]光電二極管的一些關鍵性能參數包括以下幾項。
響應率
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響應率定義為光電導模式下產生的光電流與激發光照的比例，單位為安培/瓦特（A/W）。響應特性也可以表達為量子效率），即光照產生的載流子數量與激發光照光子數的比例。
暗電流
[編輯]在光電導模式下，當不接受光照時，通過光電二極管的電流被定義為暗電流。暗電流包括了輻射電流以及半導體結的飽和電流。暗電流必須預先測量，特別是當光電二極管被用作精密的光功率測量時，暗電流產生的誤差必須認真考慮並加以校正。
響應時間
[編輯]一個光子被半導體材料吸收，將會產生一對電子-空穴對，並在偏壓電場的作用下分別向兩個相反的方向運動，進而產生電流。電流產生時間受到載流子渡越時間限制，可通過Ramo定理進行估算。同時，光電二極管的電阻和電容與外電流產生另一個時間響應，稱為RC時間常數。RC進一步延遲了器件的響應。在光通信系統中，器件的響應時間決定了可接受光信號的調製頻率。
等效噪聲功率
[編輯]等效噪聲功率（英語：Noise-equivalent power, NEP）是指能夠產生光電流所需的最小光功率，與1赫茲時的噪聲功率均方根值相等。與此相關的一個特性被稱作是探測能力（detectivity, D），它等於等效噪聲功率的倒數。等效噪聲功率大約等於光電二極管的最小可探測輸入功率。
當光電二極管被用在光通信系統中時，這些參數直接決定了光接收器的靈敏度，即獲得指定比特誤碼率的最小輸入功率。
應用
[編輯]PN結型光電二極管與其他類型的光探測器一樣，在諸如光敏電阻、感光耦合元件以及光電倍增管等設備中有着廣泛應用。它們能夠根據所受光的照度來輸出相應的模擬電信號（例如測量儀器）或者在數字電路的不同狀態間切換（例如控制開關、數字信號處理）。
光電二極管在消費電子產品，例如CD播放器、煙霧探測器以及控制電視機、空調的紅外線遙控設備中也有應用。對於許多應用產品來說，可以使用光電二極管或者其他光導材料。它們都可以被用於測量光，常常工作在照相機的測光器、路燈亮度自動調節等。
所有類型的光傳感器都可以用來檢測突發的光照，或者探測同一電路系統內部的發光。光電二極管常常和發光器件（通常是發光二極管）被合併在一起組成一個模塊，這個模塊常被稱為光電耦合元件。如果這樣就能通過分析接收到光照的情況來分析外部機械元件的運動情況（例如光斬波器）。光電二極管另外一個作用就是在模擬電路以及數字電路之間充當中介，這樣兩段電路就可以通過光信號耦合起來，這可以提高電路的安全性。
在科學研究和工業中，光電二極管常常被用來精確測量光強，因為它比其他光導材料具有更良好的線性。
在醫療應用設備中，光電二極管也有着廣泛的應用，例如X射線計算機斷層成像以及脈搏探測器。
PIN結型光電二極管一般不用來測量很低的光強。如果弱光情況下需要高靈敏度探測器，雪崩光電二極管、感光耦合元件或者光電倍增管就能發揮作用，例如天文學、光譜學、夜視設備、激光測距儀等應用產品。
與光電倍增管的比較
[編輯]比光電倍增管更加優越的特性：
- 更好的線性
- 從190納米到1100納米（硅）的響應光譜範圍
- 低噪聲
- 被加固以適應機械擠壓
- 價格低廉
- 結實但自重較輕
- 使用壽命長
- 無需高壓電源即可工作
缺點：
- 面積太小
- 沒有內部增益（雪崩光電二極管除外，而且即使是雪崩光電二極管，其內部增益也通常只有102–103 ，遠低於光電倍增管的108數量級
- 總的來說靈敏度更低
- 只有具有特殊設計的產品才能對光子進行計數
- 許多產品設計的響應時間更慢
光電二極管組
[編輯]一個由上千個光電二極管組成的一維管組可以用來構成位置傳感器、角度傳感器。[6]
參考文獻
[編輯]- ^ 國際純化學和應用化學聯合會，化學術語概略，第二版。（金皮書）(1997)。在線校正版: (2006–) "Photodiode"。doi:10.1351/goldbook.P04598
- ^ James F. Cox. Fundamentals of linear electronics: integrated and discrete. Cengage Learning. 26 June 2001: 91– [20 August 2011]. ISBN 978-0-7668-3018-9. （原始內容存檔於2013-05-27）.
- ^ Filip Tavernier, Michiel Steyaert High-Speed Optical Receivers with Integrated Photodiode in Nanoscale CMOS Springer, 2011 ISBN 1441999248, Chapter 3 From Light to Electric Current - The Photodiode
- ^ Photodiode slide. [2012-01-17]. （原始內容存檔於2011-12-11）.
- ^ Held. G, Introduction to Light Emitting Diode Technology and Applications, CRC Press, (Worldwide, 2008). Ch. 5 p. 116. ISBN 1-4200-7662-0
- ^ Wei Gao. Precision Nanometrology: Sensors and Measuring Systems for Nanomanufacturing. Springer. 2010: 15–16 [2012-01-17]. ISBN 9781849962537. （原始內容存檔於2013-05-27）.
- Gowar, John, Optical Communication Systems, 2 ed., Prentice-Hall, Hempstead UK, 1993 (ISBN 0-13-638727-6)
