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定义:
具有p-n或者p-i-n结构的探测光的一种半导体装置。
光电二极管常用作光探测器。这种装置包含一个p-n结,并且通常在n和p层中间有一层本征层。具有本征层的装置称为PIN型光电二极管。耗尽层或者本征层吸收光后产生电子-空穴对,它们对光电流有贡献。在很大的功率范围内,光电流都是与吸收光强严格成正比的。
工作模式
光电二极管可以在下面两个不同的模式下工作:
- 光伏模式:类似于太阳能电池,可以测量受光辐照的光电二极管产生的电压。但是,电压与光功率之间的关系是非线性的,并且动态范围比较小。而且也不能达到峰值速度。
- 光电导模式:这时二极管上施加反向电压(即,在该方向的电压下如果不存在入射光的情况下二极管是不导电的),然后测量得到的光电流。(保持电压接近于0就足够了。)光电流对光功率的依赖关系是非常线性的,其大小比光功率大六个数量级或者更多,例如,对于有源区为几个mm2的硅p-i-n光电二极管来说后者从几纳瓦到几十毫瓦。反向电压的大小对光电流几乎无影响,对暗电流(没有光时)的影响也很弱,但是电压越高,相应越快,并且装置加热也越快。
半导体材料
典型的光电二极管材料为:
- 硅(Si):暗电流小,速度快,在400-1000nm范围处灵敏度高(在800-900nm范围最高)
- 锗(Ge):暗电流大,由于寄生电容很大因此速度慢,在900-1600nm范围灵敏度高(在1400-1500nm范围内最高)
- 铟镓砷磷(InGaAsP):昂贵,暗电流小,速度快,在1000-1350nm范围内灵敏度高(在1100-1300nm范围最高)
- 铟镓砷(InGaAs):昂贵,暗电流小,速度快,在900-1700nm范围灵敏度高(1300-1600nm范围内最高)
关键性质
光电二极管最重要的性质为:
- 响应度,即光电流除以光功率,与量子效率相关,取决于波长大小
- 有源区,即光敏感区域
- 最大允许的电流(通常受饱和效应的限制)
- 暗电流(在光电导模式下存在,对于探测很低光强时非常重要)
- 速度,即带宽,与上升和下降时间有关,受电容率的影响
大的带宽(几十GHz)和大的光电流(几十毫安)的结合可以在速度匹配光探测器中实现,它包含一些小面积的光探测器,它们弱耦合到光波导中,并且将光电流传到普通的射频波导结构中。
光电二极管的量子效率是对光电流有贡献的入射光子所占的比例。对于没有雪崩效应的光电二极管来说,量子效率与响应度S直接相关,光电流为:
有些情况下,光电二极管具有其它的性质,例如在很大的动态范围内都具有线性的响应,空间响应一致性或者动态响应的形状(例如,在时间域或者频率域进行优化),或者噪声性质。
光电二极管的噪声性质可以非常好。当光电流比较大时,噪声主要为散粒噪声,尽管电子器件中的热噪声比它大很多。当探测的光非常弱时(例如,用于光子计数),暗电流就会起作用。
采用雪崩光电二极管可以实现更高的响应度(尽管有时会降低量子效率)。它工作于相对较高的反向偏置电压情况下,因此会产生二次电子(类似于光电倍增管中)。雪崩过程会提高响应度,因此电子放大器的噪声影响最小化,然而量子噪声变得更加重要,并且还引入了乘法噪声。
光电二极管有时集成到激光二极管组件中。可以探测到透过很高反射率的反射面之后的光,其功率正比于输出功率。得到的信号也可以用来稳定输出功率,或者探测装置的退化程度。
基于光电二极管的光探测器的电子学装置会影响速度,线性和噪声。如上所述,电流放大器(阻抗放大器)是一个很好的选择。