exp:common:photodiode

光电二极管

光电二极管是一种将光转换为电流的半导体 p - n结器件。[1] 当光子被光电二极管吸收时会产生电流。光电二极管可能包含滤光片、内置透镜,并且可能具有大或小表面积。随着表面积的增加,光电二极管的响应时间通常会变慢。用于产生电力太阳能的常见传统太阳能电池是大面积光电二极管。

光电二极管类似于普通的半导体 二极管,不同之处在于它们可以暴露在外(用于检测真空紫外线或X 射线)或封装有窗口或光纤连接,以允许光线到达设备的敏感部分。许多专门用作光电二极管的二极管使用PIN 结而不是p-n 结,以提高响应速度。光电二极管设计为在反向偏置下工作。[2]

光电二极管是PIN 结构或p-n 结。当一个足够能量的光子撞击二极管时,它会产生一个电子-空穴对。这种机制也称为内光电效应。如果吸收发生在结的耗尽区,或距离它一个扩散长度的地方,这些载流子会被耗尽区的内置电场从结扫出。因此空穴向阳极移动,电子向阴极移动,产生光电流。被生产。通过光电二极管的总电流是暗电流(在没有光的情况下产生的电流)和光电流的总和,因此必须最小化暗电流以最大限度地提高器件的灵敏度。[3]

对于给定的光谱分布,光电流与辐照度成线性比例。[4]

在光伏模式(零偏压)下,光电流通过与阴极的短路流入阳极。如果电路开路或具有负载阻抗,限制了器件的光电流,则电压会在正向偏置二极管的方向上建立,即阳极相对于阴极为正。如果电路短路或阻抗低,正向电流将消耗全部或部分光电流。这种模式利用了光伏效应,这是太阳能电池的基础——传统的太阳能电池只是一个大面积的光电二极管。为获得最佳功率输出,光伏电池将在与光电流相比仅产生小的正向电流的电压下运行。[4]

在光电导模式中,二极管是反向偏置的,也就是说,阴极相对于阳极被驱动为正。这减少了响应时间,因为额外的反向偏压增加了耗尽层的宽度,从而降低了结的电容并增加了电场区域,这将导致电子被快速收集。反向偏压也会产生暗电流,而光电流没有太大变化。

虽然这种模式速度更快,但由于暗电流或雪崩效应,光电导模式会表现出更多的电子噪声。[5]良好 PIN 二极管的漏电流非常低 (<1 nA),以至于典型电路中负载电阻 的约翰逊-奈奎斯特噪声通常占主导地位。

  1. Pearsall, Thomas (2010). Photonics Essentials, 2nd edition. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-162935-5.
  2. Cox, James F. (2001). Fundamentals of linear electronics: integrated and discrete. Cengage Learning. pp. 91–. ISBN 978-0-7668-3018-9.
  3. Tavernier, Filip and Steyaert, Michiel (2011) High-Speed Optical Receivers with Integrated Photodiode in Nanoscale CMOS. Springer. ISBN 1-4419-9924-8. Chapter 3 From Light to Electric Current – The Photodiode
  4. Häberlin, Heinrich (2012). Photovoltaics: System Design and Practice. John Wiley & Sons. pp. SA3–PA11–14. ISBN 9781119978381. Retrieved 19 April 2019.
  5. “Photodiode Application Notes – Excelitas – see note 4” (PDF). Archived from the original (PDF) on 2014-11-13. Retrieved 2014-11-13.
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  • 由 cenyan