光電二極管的工作原理及應用特性分析

何俊

摘 要：光電二極管作為我國電子工程的關鍵組成原件，具有光伏探測性能，其工作原理較為復雜，操作應用極具嚴謹性，因此本文基于光電二極管的詳細工作原理，介紹了其主要結構組成、功能應用和測試系統，并從光譜、頻率和噪聲三個方向分析了光電二極管的特征，同時簡要概述了其他結構類型的光電二極管，希望能對相關工作者提供可參考性的建議.

關鍵詞：光電二極管；光伏；伏安；應用

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光線照射于半導體時，如果出現入射光子能量低于半導體禁帶寬度的情況，半導體也會因為光透射穿過物質而形成透明伏，若大于禁帶寬度半導體會吸收光子能量，電子和光子流產生相互作用而引發電學效應，也被稱作為光子效應。PN結光電二極管原理為O型和N型半導體發生接觸作用，也被稱為勢壘區，其中N區向P區產生的空間電場被稱為內建電場，當PN 結處于熱平衡狀態下時，因為濃度梯度產生的擴散電流和因為內電廠產生的漂移電流抵消為零，PN 結沒有電流通過，這時輻射到半導體上的光子將會被吸收，光子強度也會隨這深入半導體的過程而逐漸降低，其中吸收系數會隨著入射光能的增加而增大，PN結半導體表面的薄層光能很快會被完全吸收。

電子空穴對的形成是因為光輻射在半導體內觸發光子流和價電子的作用效果，價帶中由電子產生空穴，并受到光強度的影響，因為光子強度在逐漸降低，所以空穴對的產生效率也呈下降趨勢。由此可見光輻射強度會直接影響到光電二極管內部的擴散效應和載流子剩余數目，其中載流子會對多子和少子的這平衡濃度產生影響，目前在該原理中應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而生成無偏壓光電器，光電二極管是因為反向偏壓原理形成的光伏器，光電二極管在低頻率和微弱信號的探測工作中具有重要的應用價值，光電二極管可以理解為和恒流電源和普通二極管的并聯作用。

光電二極管的工作模式在結型光伏探測器模式的第三象限，在此象限中二極管會因為反偏電壓和高強度內電場的原因導致PN 結增寬，同時多子運動效果降低，少子漂移效果增強，這樣一來漂移電流遠遠大于擴散電流而破壞了熱平衡，但因為少子數量較低，在無光照時會產生暗電流，形成一條具有普通二極管特征的曲線，一旦有光輻射發生，光子別回在入射光能量大于半導體禁帶寬度時半導體所吸收，進一步形成空穴對，外界光照強度越高，空穴對電子量也隨之增高。同時如果入射光的功率在不斷增加，特征曲線便會成下降趨勢，下移程度也會隨光照強度的增加而擴大，并產生更多的反向電流，其中光功率和光生電流成正相關趨勢，空穴電子量會因為光功率的提升而增多，此時光生電流也會隨之增大，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禁帶寬度的范圍才能引發光電二極管的響應，同時不同的光電二極管材質也具有不同的響應度，每一種光電二極管都有其特定的探測元件和響應峰值，當光子能量稍微高出禁帶寬度范圍時，響應峰值會逐漸降低，同理如果稍微低于禁帶寬度時也會逐步下降，其中只有入射光的短波值達到峰值長度時，響應度才會呈上升趨勢。此外，光電二極管中入射光為形成光電流必須當載流子進入結區后才可以實現，如果想提高量子效率必須保證入射光在 PN 結勢壘區范圍內。

（二）光電二極管的頻率響應特性

光電二極管的頻率響應會受到PN結勢壘電容的影響，其中載流子穿越時間與RC時間常數是主要影響因子。其中穿越時間指載流子到達漂移過勢壘區或者擴散于結區時的總時長，因為擴散速度遠遠低于漂移速度，此時光電二極管的頻率響應便會受到制約，一般光電二極管的頻率響應能力在需要應用時則會選擇耗盡層型，而不是擴散型。其中電容和負載電阻是影響RC時間常數的主要因素，實際需要盡可能減少電容量和結面積，同時需要增加反偏電壓和耗盡層厚度，這樣一來便可以充分提高頻率響應能力。

（三）光電二極管的噪聲特性

光電二極管在正常運行和工作時，信號光和背景光會作為光輻射同時被吸收，信號光存在量子噪聲，反偏PN結也同樣存在暗電流，這樣一來別給光電二極管帶來散粒和熱噪聲。

三、其他結構類型的光電二極管

（一）PIN 型光電二極管

PIN型光電二極管指將高電阻率I層本征半導體夾于P 型和 N 型半導體兩者中間，耗盡層會在反偏效應時于I半導體展開，達到擴展光電轉換工作區域的作用。相比于普通光電二極管，PIN型更有利于在高頻環境下發生響應，具備更高效率的電壓擊穿能力，目前已經廣泛的應用于光通信、光度測量等工作方向。此外，PIN型四象限光電二極管可以實現對運動物體的實時定位跟蹤和指導作用。

（二）雪崩光電二極管

雪崩光電二極管是基于PN結光電二極管和PIN型光電二極管，對兩者給予高強度反偏電壓，進而觸發雪崩式電離碰撞效果，同時產生空穴對電子量，此過程可達到102～104的電流變化量。雪崩光電二極管具有高靈敏度、低電容量和高響應速度的優勢，已經廣泛的在高頻探測儀、低強度近紅外輻射實現應用，同時可以在微波頻率實現響應調制。

（三）肖特基勢壘光電二極管

肖特基勢壘光電二極管可以理解為不具備PN結的器件，構成勢壘和耗盡層的主要原理是金屬與半導體發生接觸，其中光電效應等同于PN結勢壘。肖特基勢壘光電二極管可以通過采用不同的半導體和金屬材料而形成多種結構，因為并不是所有半導體材料都可以形成PN 結，因此肖特基勢壘光電二極管便有了更高的應用價值。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用的電子光伏探測器。

四、結語與展望

綜上所述，光電二極管的工作原理設計和結構組成以及功能系統是其工作是其應用的主要技術方向，如何實現光電二極管的規范性設計、科學化調試和運行是未來電子工程行業需要關注的重點與難點，目前基于光電二極管的具體應用特性和其他結構類型，能夠實現準確的測試和運行結果，未來需要積極利用計算機信息技術和管理系統實現光電二極管的進一步發展。

參考文獻：

[1]胡靜.光電二極管的工作原理及應用特性分析 [J].技術與市場， 2016（12）：40-41，共2頁.

[2]張際青.雪崩型光電二極管陣列器件的設計與分析[D].南京理工大學， 2007.

[3]彭孝東，周金運，廖常俊， et al. 雪崩抑制技術在SPADs中的應用[J].光子技術， 2004（2）：66-70.

[4]吳石明.硅光電二極管的特性分析與參數測量[J].實驗技術與管理， 1987（1）：33-38.

[5]謝海情.SOI基透明電極壓控橫向PIN光電二極管的研究[D].湖南大學， 2011.

[6]靳浩.空間輻射對CMOS像感器性能影響的研究[D].哈爾濱工業大學.

[7]李淵清.抗輻射數字像素CMOS圖像傳感器研究[D].

[8]劉振旺.TDI-CMOS成像系統研究及FPN校正方法設計[D].