光电二极管的工作原理及分类

什么是光电二极管

光电二极管是一种半导体器件，能够将光信号转换为电流。其结构包含位于p型（正）层和n型（负）层之间的本征层。当光能入射到器件上时，光电二极管会产生相应的电流，因此也被称为光电探测器、光电传感器或光探测器。

工作原理与结构

光电二极管通常在反向偏置条件下工作，即p型侧连接至电源负极，n型侧连接至电源正极。常用材料包括硅、锗、磷化砷化铟镓和砷化铟镓。

内部结构通常包含滤光片、内置透镜和感光区域。增大感光面积可以缩短响应时间。部分光电二极管在外观上与发光二极管（LED）相似，具有两个引脚：较短的一端为阴极，较长的一端为阳极。

电路符号

光电二极管的电路符号与LED类似，但箭头方向相反，指向内部，表示光信号的输入。

工作原理

光电二极管基于内光电效应工作：当能量足够的光子撞击二极管时，会在半导体内部产生电子-空穴对。若该过程发生在耗尽区，载流子会被内部电场分离，从而形成光电流。

具体来说，光子能量超过半导体材料的带隙（例如硅约为1.1 eV）时，会打破共价键，产生自由电子和空穴。在耗尽区电场的作用下，电子向阴极移动，空穴向阳极移动，形成电流。光子能量越强，吸收程度越高，光电流也越大。

光子激发可分为本征激发（价带电子跃迁至导带）和外征激发两种形式。

工作模式

光电二极管主要有三种工作模式：

光伏模式

也称为零偏压模式，适用于低频和高光强应用。光照下产生电压，但其动态范围较小且呈非线性。配合运放使用时，温度影响较小。

光电导模式

在反向偏压下工作，阴极接正，阳极接负。增大反向电压可扩展耗尽区宽度，降低结电容和响应时间。此模式下响应速度快，但可能引入电子噪声。

雪崩模式

在高反向偏压下工作，利用雪崩击穿效应使每个光生电子-空穴对倍增，从而提高器件响应度和内部增益。

基本电路连接

典型的光电二极管电路包含一个光电二极管与一个串联电阻（例如10 kΩ）。光照强度与产生的电流成正比。为提高驱动能力，常外接电源以增强输出电流。

在反向偏置电路中，阳极接地，阴极接正电源。光照下，电流从阴极流向阳极。

制造工艺与材料

材料选择直接影响光电二极管的波长响应范围和噪声水平。例如：

硅适用于400–1000 nm波长，噪声较低；

锗适用于800–1600 nm波长，尤其在约1400 nm处响应最强。

结构上常采用PIN型设计，即在p型和n型层之间插入较厚的本征层，以扩大感光面积、提高效率。为提高进光量，电极常设计在侧面，使光线能充分进入本征区。此外，也可使用异质结结构进一步优化性能。

主要特性

伏安特性：描述光电流与偏置电压之间的关系。

光照特性：在固定电压下，光通量与光电流的关系，其斜率定义为灵敏度。

光谱特性：光电流随入射光波长的变化关系。光子能量与波长成反比。

功能与应用

光电二极管广泛应用于以下场景：

光控开关

无光时，光电二极管截止，控制电路不工作；有光时导通，驱动继电器等执行器件。

光信号接收

用于接收光信号，经放大后输出。

光电管与光电池

将光能直接转换为电能，常用于光电检测和能量收集。

太阳能电池

利用光伏效应将太阳光转化为直流电能。

光伏发电系统

独立系统：用于无电网地区，配备储能电池。

并网系统：直接向电网供电，无需储能。

其他应用还包括：

光强度测量

烟雾探测器

光耦合器与光隔离器

条码扫描与字符识别

障碍物检测、血氧检测、接近传感

光学编码器、光纤通信、位置传感等

选型关键参数

暗电流：无光条件下的反向漏电流，影响测量精度。

响应度：单位光功率所产生的光电流（A/W）。

噪声等效功率（NEP）：产生与噪声相等信号所需的最小光功率。

探测率（D）：NEP的倒数，表征探测能力。

频率响应：受载流子扩散/漂移时间以及电路RC常数影响。

选型时还需考虑材料、感光面积、成本等因素。

检测方法

电阻法

使用万用表1kΩ档测量：

正向电阻约10 kΩ；

无光时反向电阻应接近无穷大；

有光时反向电阻随光强减小，可达几kΩ以下。

电压法

使用万用表1V档，红笔接正极，黑笔接负极。光照下应测得0.2–0.4 V电压。

短路电流法

使用50 μA档，红笔接正极，黑笔接负极。在白炽灯下，电流应随光强增大，可达几十至数百微安。

区分红外LED与光电二极管

透明封装下可见LED芯片带浅盘状结构，光电二极管则无；

黑色封装或小型器件可用万用表1kΩ档判断：光电二极管正向电阻约10 kΩ，反向电阻接近无穷大。