半导体光电二极管
半导体光电二极管 ，是把光能转变成电能的反向偏置晶体二极管。在一定波长的光照射下，其反向电流受到光生载流子的调制作用，因而可用来对光辐射信号进行探测。
光电二极管用于光纤通信、激光测距、自动控制。发展最快的是光纤通信用光电二极管，0.8~0.9微米波段的光电二极管已能满足实用要求。
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半导体光电二极管 ，是把光能转变成电能的反向偏置晶体二极管。在一定波长的光照射下，其反向电流受到光生载流子的调制作用，因而可用来对光辐射信号进行探测。
光电二极管用于光纤通信、激光测距、自动控制。发展最快的是光纤通信用光电二极管，0.8~0.9微米波段的光电二极管已能满足实用要求。
光电二极管用于光纤通信、激光测距、自动控制等。发展最快的是光纤通信用 光电二极管，0.8~0.9微米波段的光电二极管已能满足实用要求。
半导体光电二极管探测光辐射的基本过程是:
①吸收光辐射产生载流子，即半导体价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,产生电子-空穴对;
②光生载流子在二极管内输运形成电流，若光子在耗尽层内被吸收，产生的电子和空穴在电场的作用下作漂移运动;若光子的吸收发生在耗尽层外扩散长度之内，少子靠扩散运动可到达耗尽层边界，进入耗尽层之后再作漂移运动;
③载流子向电极输运时，在外电路中形成电流，产生输出信号。经过上述过程，光信号转换成电信号，通过测量电信号的强度，达到探测光信号的目的。
半导体光电二极管通常取PN结、 PIN结、肖特基势垒、MIS和点接触等结构(图1)。半导体雪崩光电二极管的结构与一般光电二极管类似。只是PN结上的反偏压足够高，耗尽层中的载流子受到强场的加速作用而获得足够高的动能，它们与原子碰撞时产生新的电子-空穴对,引起载流子雪崩式倍增，从而得到内部电流增益。
各种光电二极管的波长覆盖范围从紫外区、可见光区直到近红外光区。制作光电二极管的材料有元素半导体Si、Ge及Ⅲ-Ⅴ族和Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体GaAs、InAs、InSb、InS、InGaAs、InGaAsP、PbSnTe、PbSnSe、HgCdTe等。
对光电探测器件的性能要求主要有:
①响应灵敏度高，即要求探测器有较高的光信号-电信号的转换效率;
②响应速度快，当入射光信号受到高频调制时，光电二极管能够快速响应;
③噪声低，探测器的噪声性能表征该器件所能分辨的最小信号电平，噪声低意味着探测器在测量光辐射能量时具有较高的准确度，可探测的最低功率小。
用输入光功率P与输出光电流I表示的一个实用参量。它的定义是:
单位为安/瓦或微安/微瓦。式中e是电子电荷，h是普朗克常数，υ是入射光频率，c是光速。故R(λ)由入射光波长λ、量子效率η(λ)和倍增因子M决定。在某一入射光波作用下，没有倍增时，量子效率的定义为单位时间内产生并被电极收集的光生载流子数与波长为 λ的入射光子数之比。η(λ)由器件表面的反射率、材料的光吸收系数α和吸收层厚度决定。减小表面反射率，并使吸收层厚度为1/α时，可得到最好的量子效率。α取决于入射光波长，因而η(λ)也与波长密切相关。当入射光子能量hυ低于材料的禁带宽度Eg时,载流子从价带到导带的跃迁不能发生，由此决定光电二极管的长波响应极限λc,λc=1.24/Eg(Eg单位为电子伏,λc单位为微米)。当hυ>>Eg时，由于吸收系数太大,光子的吸收只在表面附近发生，光生载流子扩散到耗尽层之前通过表面复合中心与多子复合，这一过程无益于光电流，造成量子效率的降低,构成光谱响应的短波限制。因此,光电二极管的波长响应特性决定于材料和器件结构(见表)。
限制光电二极管响应速度的因素如下:
① 光生载流子在耗尽层外的P区和N区中的有限扩散时间引起渡越过程的延迟。采用全耗尽型的器件结构可把这一效应减小到最小。
② 信号电流受到结电容Cd并联的影响。光信号调制频率的上限由ReCd时间常数决定
式中Re为与Cd串联的等效电阻,它包括器件的串联电阻和负载电阻。采用全耗尽型的器件结构及小负载电阻时，可以获得较好的响应特性。二极管的电容与结面积成正比，与耗尽层宽度成反比，因此减小结面积，增大耗尽层宽度可降低时间常数ReCd。
③ 载流子漂移穿过耗尽层的有限渡越时间引起的延迟。足够大的反向偏流下，载流子以散射限制速度υs漂移,则渡越时间延迟τd由耗尽层宽度ω决定:τd=ω/υs，渡越时间允许的最高调制频率f
f≈2.8/2πτd
因此，光电二极管的响应速度主要由时间常数和渡越时间效应决定。最佳的折衷选择是使f≈f，即τd≈2.8ReCd。适当选择结面积、掺杂浓度、结深、负载电阻等参数，可以获得最佳的频率响应特性。
在光接收机中，经过探测、检波、变换等过程把光信号还原成原发的电信号。但各部分都存在噪声，所以从输出端解调出来的电信号与发送端发出来的电信号不完全相同，而在正确值附近有无规则起伏，将限制可探测信号的最小光功率。通常用信噪比S/N、噪声等效功率P或探测灵敏 度D*表征光电二极管的噪声性能。
信噪比S/N是描述有用信号强度与噪声强度相对比值的量。通常用信号电流与噪声电流的均方值表示。
噪声等效功率P是信噪比等于 1时的入射光功率。它代表可探测的最小光功率。P越小，光电二极管的探测灵敏度越高。
探测灵敏度D*的定义为:
式中A是器件的光敏面积，B是带宽。由于P与和成正比,故D*是一个与光敏面积、带宽无关的量。采用D*这个量可以对不同带宽、不同光敏面积的光电二极管进行比较。作为表征器件噪声特性的一个灵敏参数,D*越大，光电二极管的探测灵敏度越高，噪声性能也就越好。
图2 以雪崩光电二极管接收机为例说明各种主要的噪声来源及其增殖过程。
量子噪声为光信号本身所固有，只要存在光-电转换过程就必然存在散粒噪声。这两种噪声是无法克服的。暗电流噪声则可通过选取适宜的材料、合理设计器件结构和保证工艺质量来减小。光接收机电路的输入阻抗一般比较低，热噪声通常是主要的噪声成分。在这种情况下采用半导体雪崩光电二极管可以有效地增加信噪比。但在光信号倍增的同时，不仅散粒噪声和暗电流噪声也得到倍增，而且由于雪崩过程，过剩噪声的影响增加得更快，过大的雪崩倍增(M过大)反而使信噪比下降。因此,光接收机的合理设计应选取适中的M值,以获得最佳的信噪比性能。
现代长距离、大容量光纤通信系统的发展，需要有1.0~1.6微米波长范围的高速、高灵敏度光电探测器。除正在研制的Ge、InGaAs系PIN、APD外,InP或GaSb系超晶格APD、缓变带隙APD或利用共振电离现象的 APD等新结构器件已开始研制，有可能实现优良的低噪声特性。研制超长波长光电探测器，提高其工作温度，对于发展超低损耗光纤通信系统和长距离精密测距技术具有重要意义。
参考书目
S.M.Sze,Physics of Semiconductor Devices,Wiley-Interscience, New York,1969.
A.Yariv,Introduction to Optical Electronics,Holt,Rinehart and Winstone,New York,1976.
把光能转变成电能的反向偏置晶体二极管。在一定波长的光照射下，其反向电流受到光生载流子的调制作用，因而可用来对光辐射信号进行探测。
发光二极管不是导体！发光二极管是一种元件，是用半导体材料制作的一种元件。
晶体二极管有很多种啊.整流二极管,发光二极管,光电二极管,红外发射管,红外接收管,稳压二极管......整流二极管的作用是:只允许单向电流通过.可以通过整流二极管"搭桥"整流,使交...
发光二极管具有单向导电性。只有当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，正向电流愈大，发光愈强。
半导体发光二极管讲义24页
半导体发光二极管讲义24页
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半导体发光二极管(PPT课件)
半导体发光二极管(PPT课件)
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在上述的光电二极管的PN结中间掺入一层浓度很低的I型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。
光电二极管" 英文通常称为 Photo-Diode
那么，它是怎样把光信号转换成电信号的呢？大家知道，普通二极管在反向电压作用在处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接 收入射光。光电二极管是在反向电压作用在工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。
1 、简述
光电二极管（英文：photodiode ,中文也称“光敏二极管” ）是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池（硅电池）就是通过大面积的光电二极管来产生电能。光电二极管与常规的半导体二极管基本相似，只是光电二极管可以直接暴露在光源附近或通过透明小窗、光导纤维封装，来允许光到达这种器件的光敏感区域来检测光信号。许多用来设计光电二极管的二极管使用了一个PIN结，而不是一般的PN结，来增加器件对信号的响应速度。光电二极管的电气（原理图）符号和常见实物外观如下图（1）所示：
2 、工作原理
如图（2）所示，一个光电二极管的基础结构通常是一个PN结或者PIN结，常常被设计为工作在反向偏置状态。当一个具有充足能量的光子冲击到二极管上，它将激发一个电子，从而产生自由电子（同时有一个带正电的空穴）。这样的机制也被称作是内光电效应。如果光子的吸收发生在结的耗尽层，则该区域的内电场将会消除其间的屏障，使得空穴能够向着阳极的方向运动，电子向着阴极的方向运动，于是光电流就产生了。实际的光电流是暗电流和光照产生电流的综合，因此暗电流必须被最小化来提高器件对光的灵敏度。
3、工作曲线&模式
光电二极管是在反向电压作用之下工作的。如下图（3）所示，没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流（Dark Current） 。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。 工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。
处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是光电二极管的工作基础。 电路中测得的电流代表器件接受到的光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。 外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应度趋向直线。 工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。
光伏模式下，光电二极管是零偏置的。 器件的电流流动被限制，形成一个电压。 这种工作模式利用了光伏效应，它是太阳能电池的基础。 当工作在光伏模式时，暗电流最小。
4 、种类
4.1 PN型光电二极管
特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。
用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。
4.2 PIN型光电二极管
特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应。
用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真。
4.3 发射键型光电二极管
特性：使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体
用途：主要用于紫外线等短波光的检测
4.4 雪崩型光电二极管
光电二极管雪崩光电二极管具有和常规光电二极管相似的结构，但是需要高得多的反向偏置电压。这将允许光照产生的载流子通过雪崩击穿大量增加，在光电二极管内部产生内部增益，从而进一步改善器件的响应率。
特性：响应速度非常快，因具有倍速作用，故可检测微弱光。
用途：高速光通信、高速光检测
5 、主要参数
光电二极管的一些关键性能参数包括以下几项：
5.1 响应率
如下图所示，响应率定义为光电导模式下产生的光电流与激发光照的比例，单位为安培/瓦特（A/W）。响应特性也可以表达为量子效率），即光照产生的载流子数量与激发光照光子数的比例。
5.2 暗电流
在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。暗电流必须预先测量，特别是当光电二极管被用作精密的光功率测量时，暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。
5.3 响应时间
一个光子被半导体材料吸收，将会产生一对电子-空穴对，并在偏压电场的作用下分别向两个相反的方向运动，进而产生电流。电流产生时间受到载流子渡越时间限制，可通过Ramo定理进行估算。同时，光电二极管的电阻和电容与外电流产生另一个时间响应，称为RC时间常数。RC进一步延迟了器件的响应。在光通信系统中，器件的响应时间决定了可接受光信号的调制频率。
5.4 结电容
结电容（Cj）是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结电容，增大响应速度。
5.5 等效噪声功率
等效噪声功率（英语：Noise-equivalent power, NEP）是指能够产生光电流所需的最小光功率，与1赫兹时的噪声功率均方根值相等。与此相关的一个特性被称作是探测能力（detectivity, D），它等于等效噪声功率的倒数。等效噪声功率大约等于光电二极管的最小可探测输入功率。当光电二极管被用在光通信系统中时，这些参数直接决定了光接收器的灵敏度，即获得指定比特误码率的最小输入功率。
6 、应用(举例)
PN结型光电二极管与其他类型的光探测器一样，在诸如光敏电阻、感光耦合元件以及光电倍增管等设备中有着广泛应用。它们能够根据所受光的照度来输出相应的模拟电信号（例如测量仪器）或者在数字电路的不同状态间切换（例如控制开关、数字信号处理）。
光电二极管在消费电子产品，例如CD播放器、烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中也有应用。对于许多应用产品来说，可以使用光电二极管或者其他光导材料。它们都可以被用于测量光，常常工作在照相机的测光器、路灯亮度自动调节等。
所有类型的光传感器都可以用来检测突发的光照，或者探测同一电路系统内部的发光。光电二极管常常和发光器件（通常是发光二极管）被合并在一起组成一个模块，这个模块常被称为光电耦合元件。如果这样就能通过分析接收到光照的情况来分析外部机械元件的运动情况（例如光斩波器）。光电二极管另外一个作用就是在模拟电路以及数字电路之间充当中介，这样两段电路就可以通过光信号耦合起来，这可以提高电路的安全性。
在科学研究和工业中，光电二极管常常被用来精确测量光强，因为它比其他光导材料具有更良好的线性。
在医疗应用设备中，光电二极管也有着广泛的应用，例如X射线计算机断层成像以及脉搏探测器。
PIN结型光电二极管一般不用来测量很低的光强。如果弱光情况下需要高灵敏度探测器，雪崩光电二极管、感光耦合元件或者光电倍增管就能发挥作用，例如天文学、光谱学、夜视设备、激光测距仪等应用产品。
下面给出一些方案的简易应用图：
6.1 光电二极管做成一个高速光电耦合器
6.2 障碍物探测 （如寻迹小车）
6.3 玩具枪靶环 ( 激光亮点打中会响 )
6.4 RS232 串口信号的光电隔离
6.5 激光密码锁
相比无线电波容易被监听，此方案通过光电技术对锁具进行控制，比如：发射端用激光笔，可实现一个远程、安全的的车库、家居的开锁开门方案。
6.6 光纤通信
6.7 一维条形码的解码应用
通过移动导光管（扫描），光电二极管获得条形码的明暗纹的编码数据，通过解码可获得原始数字。
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PIN光电二极管工作原理