光電二極管的工作原理及應(yīng)用特性分析

何俊

摘 要：光電二極管作為我國(guó)電子工程的關(guān)鍵組成原件，具有光伏探測(cè)性能，其工作原理較為復(fù)雜，操作應(yīng)用極具嚴(yán)謹(jǐn)性，因此本文基于光電二極管的詳細(xì)工作原理，介紹了其主要結(jié)構(gòu)組成、功能應(yīng)用和測(cè)試系統(tǒng)，并從光譜、頻率和噪聲三個(gè)方向分析了光電二極管的特征，同時(shí)簡(jiǎn)要概述了其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型的光電二極管，希望能對(duì)相關(guān)工作者提供可參考性的建議.

關(guān)鍵詞：光電二極管；光伏；伏安；應(yīng)用

一、光電二極管的工作原理

光電二極管的工作原理可以理解為當(dāng)光線(xiàn)照射于半導(dǎo)體時(shí)，如果出現(xiàn)入射光子能量低于半導(dǎo)體禁帶寬度的情況，半導(dǎo)體也會(huì)因?yàn)楣馔干浯┻^(guò)物質(zhì)而形成透明伏，若大于禁帶寬度半導(dǎo)體會(huì)吸收光子能量，電子和光子流產(chǎn)生相互作用而引發(fā)電學(xué)效應(yīng)，也被稱(chēng)作為光子效應(yīng)。PN結(jié)光電二極管原理為O型和N型半導(dǎo)體發(fā)生接觸作用，也被稱(chēng)為勢(shì)壘區(qū)，其中N區(qū)向P區(qū)產(chǎn)生的空間電場(chǎng)被稱(chēng)為內(nèi)建電場(chǎng)，當(dāng)PN 結(jié)處于熱平衡狀態(tài)下時(shí)，因?yàn)闈舛忍荻犬a(chǎn)生的擴(kuò)散電流和因?yàn)閮?nèi)電廠(chǎng)產(chǎn)生的漂移電流抵消為零，PN 結(jié)沒(méi)有電流通過(guò)，這時(shí)輻射到半導(dǎo)體上的光子將會(huì)被吸收，光子強(qiáng)度也會(huì)隨這深入半導(dǎo)體的過(guò)程而逐漸降低，其中吸收系數(shù)會(huì)隨著入射光能的增加而增大，PN結(jié)半導(dǎo)體表面的薄層光能很快會(huì)被完全吸收。

電子空穴對(duì)的形成是因?yàn)楣廨椛湓诎雽?dǎo)體內(nèi)觸發(fā)光子流和價(jià)電子的作用效果，價(jià)帶中由電子產(chǎn)生空穴，并受到光強(qiáng)度的影響，因?yàn)楣庾訌?qiáng)度在逐漸降低，所以空穴對(duì)的產(chǎn)生效率也呈下降趨勢(shì)。由此可見(jiàn)光輻射強(qiáng)度會(huì)直接影響到光電二極管內(nèi)部的擴(kuò)散效應(yīng)和載流子剩余數(shù)目，其中載流子會(huì)對(duì)多子和少子的這平衡濃度產(chǎn)生影響，目前在該原理中應(yīng)用較為廣泛的器件主要有光電池和光電二極管，其中光電池主要原理是利用光生伏特效應(yīng)而生成無(wú)偏壓光電器，光電二極管是因?yàn)榉聪蚱珘涸硇纬傻墓夥?，光電二極管在低頻率和微弱信號(hào)的探測(cè)工作中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，光電二極管可以理解為和恒流電源和普通二極管的并聯(lián)作用。

光電二極管的工作模式在結(jié)型光伏探測(cè)器模式的第三象限，在此象限中二極管會(huì)因?yàn)榉雌妷汉透邚?qiáng)度內(nèi)電場(chǎng)的原因?qū)е翽N 結(jié)增寬，同時(shí)多子運(yùn)動(dòng)效果降低，少子漂移效果增強(qiáng)，這樣一來(lái)漂移電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散電流而破壞了熱平衡，但因?yàn)樯僮訑?shù)量較低，在無(wú)光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生暗電流，形成一條具有普通二極管特征的曲線(xiàn)，一旦有光輻射發(fā)生，光子別回在入射光能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度時(shí)半導(dǎo)體所吸收，進(jìn)一步形成空穴對(duì)，外界光照強(qiáng)度越高，空穴對(duì)電子量也隨之增高。同時(shí)如果入射光的功率在不斷增加，特征曲線(xiàn)便會(huì)成下降趨勢(shì)，下移程度也會(huì)隨光照強(qiáng)度的增加而擴(kuò)大，并產(chǎn)生更多的反向電流，其中光功率和光生電流成正相關(guān)趨勢(shì)，空穴電子量會(huì)因?yàn)楣夤β实奶嵘龆啵藭r(shí)光生電流也會(huì)隨之增大，不受外加電壓影響。

二、光電二極管的特性

（一）光電二極管的光譜特性

光子能量只有在超過(guò)禁帶寬度的范圍才能引發(fā)光電二極管的響應(yīng)，同時(shí)不同的光電二極管材質(zhì)也具有不同的響應(yīng)度，每一種光電二極管都有其特定的探測(cè)元件和響應(yīng)峰值，當(dāng)光子能量稍微高出禁帶寬度范圍時(shí)，響應(yīng)峰值會(huì)逐漸降低，同理如果稍微低于禁帶寬度時(shí)也會(huì)逐步下降，其中只有入射光的短波值達(dá)到峰值長(zhǎng)度時(shí)，響應(yīng)度才會(huì)呈上升趨勢(shì)。此外，光電二極管中入射光為形成光電流必須當(dāng)載流子進(jìn)入結(jié)區(qū)后才可以實(shí)現(xiàn)，如果想提高量子效率必須保證入射光在 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)范圍內(nèi)。

（二）光電二極管的頻率響應(yīng)特性

光電二極管的頻率響應(yīng)會(huì)受到PN結(jié)勢(shì)壘電容的影響，其中載流子穿越時(shí)間與RC時(shí)間常數(shù)是主要影響因子。其中穿越時(shí)間指載流子到達(dá)漂移過(guò)勢(shì)壘區(qū)或者擴(kuò)散于結(jié)區(qū)時(shí)的總時(shí)長(zhǎng)，因?yàn)閿U(kuò)散速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于漂移速度，此時(shí)光電二極管的頻率響應(yīng)便會(huì)受到制約，一般光電二極管的頻率響應(yīng)能力在需要應(yīng)用時(shí)則會(huì)選擇耗盡層型，而不是擴(kuò)散型。其中電容和負(fù)載電阻是影響RC時(shí)間常數(shù)的主要因素，實(shí)際需要盡可能減少電容量和結(jié)面積，同時(shí)需要增加反偏電壓和耗盡層厚度，這樣一來(lái)便可以充分提高頻率響應(yīng)能力。

（三）光電二極管的噪聲特性

光電二極管在正常運(yùn)行和工作時(shí)，信號(hào)光和背景光會(huì)作為光輻射同時(shí)被吸收，信號(hào)光存在量子噪聲，反偏PN結(jié)也同樣存在暗電流，這樣一來(lái)別給光電二極管帶來(lái)散粒和熱噪聲。

三、其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型的光電二極管

（一）PIN 型光電二極管

PIN型光電二極管指將高電阻率I層本征半導(dǎo)體夾于P 型和 N 型半導(dǎo)體兩者中間，耗盡層會(huì)在反偏效應(yīng)時(shí)于I半導(dǎo)體展開(kāi)，達(dá)到擴(kuò)展光電轉(zhuǎn)換工作區(qū)域的作用。相比于普通光電二極管，PIN型更有利于在高頻環(huán)境下發(fā)生響應(yīng)，具備更高效率的電壓擊穿能力，目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于光通信、光度測(cè)量等工作方向。此外，PIN型四象限光電二極管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的實(shí)時(shí)定位跟蹤和指導(dǎo)作用。

（二）雪崩光電二極管

雪崩光電二極管是基于PN結(jié)光電二極管和PIN型光電二極管，對(duì)兩者給予高強(qiáng)度反偏電壓，進(jìn)而觸發(fā)雪崩式電離碰撞效果，同時(shí)產(chǎn)生空穴對(duì)電子量，此過(guò)程可達(dá)到102～104的電流變化量。雪崩光電二極管具有高靈敏度、低電容量和高響應(yīng)速度的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛的在高頻探測(cè)儀、低強(qiáng)度近紅外輻射實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，同時(shí)可以在微波頻率實(shí)現(xiàn)響應(yīng)調(diào)制。

（三）肖特基勢(shì)壘光電二極管

肖特基勢(shì)壘光電二極管可以理解為不具備PN結(jié)的器件，構(gòu)成勢(shì)壘和耗盡層的主要原理是金屬與半導(dǎo)體發(fā)生接觸，其中光電效應(yīng)等同于PN結(jié)勢(shì)壘。肖特基勢(shì)壘光電二極管可以通過(guò)采用不同的半導(dǎo)體和金屬材料而形成多種結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴⒉皇撬邪雽?dǎo)體材料都可以形成PN 結(jié)，因此肖特基勢(shì)壘光電二極管便有了更高的應(yīng)用價(jià)值。除此之外，金屬氧化物光電二極管、光電三極管等也是目前廣為應(yīng)用的電子光伏探測(cè)器。

四、結(jié)語(yǔ)與展望

綜上所述，光電二極管的工作原理設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)組成以及功能系統(tǒng)是其工作是其應(yīng)用的主要技術(shù)方向，如何實(shí)現(xiàn)光電二極管的規(guī)范性設(shè)計(jì)、科學(xué)化調(diào)試和運(yùn)行是未來(lái)電子工程行業(yè)需要關(guān)注的重點(diǎn)與難點(diǎn)，目前基于光電二極管的具體應(yīng)用特性和其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型，能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的測(cè)試和運(yùn)行結(jié)果，未來(lái)需要積極利用計(jì)算機(jī)信息技術(shù)和管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光電二極管的進(jìn)一步發(fā)展。

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