光电二极管在光学编码中的应用介绍

更新时间：2026-07-15

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一、工作原理

1.1 基本物理机制

光电二极管是基于PN 结光伏效应的半导体光传感器。当能量大于半导体禁带宽度的光子入射到 PN 结时，价带中的电子被激发至导带，同时在价带留下空穴，形成电子 - 空穴对。

在耗尽层内建电场的作用下：

电子向 N 层漂移并被收集
空穴向 P 层漂移并被收集

当外接电路连通时，载流子流出形成光电流，其大小与入射光强成正比。

1.2 等效电路模型

滨松技术文档中给出的等效电路包含以下要素：

光电流源 I_L：与入射光强成正比
二极管 I_D：PN 结整流特性
结电容 C_j：与耗尽层宽度成反比
并联电阻 R_sh：影响暗噪声
串联电阻 R_s：影响线性度上限

二、产品分类与技术特点

2.1 硅光电二极管（Si PD）

普通 PN 型：结构简单，暗电流极低（精密款可低至 2~5 pA），适合微弱光检测。

PIN 型光电二极管：在 P 区与 N 区之间插入本征层（I 层），具有：

更低的结电容 → 更高的响应速度（截止频率最高可达 1000 MHz）
更宽的耗尽层 → 更好的长波响应
适用于高速激光信号、光通信等场景

2.2 雪崩光电二极管（Si APD）

APD 通过雪崩倍增效应实现内部增益（增益 M > 1），是微弱光探测的核心器件。

雪崩增益原理：在高反向偏压下，耗尽层内电场，光生载流子被加速后与晶格碰撞电离，产生新的电子 - 空穴对，形成链式反应，使载流子数量倍增。

增益影响因素：

反向偏压：电压越高，增益越大（接近击穿电压时增益急剧上升）
温度：温度升高会抑制雪崩效应，增益下降，需温度补偿
波长与结构：

N-on-P 结构：近红外长波增益更高
P-on-N 结构：短波增益更优

典型工作参数（以 S3884 为例）：

击穿电压：164 V @ 25℃
推荐工作电压：150 V（增益约 100 倍）
最佳工作增益：通常几十到一百倍

2.3 光电二极管阵列（PD Array）

线性阵列：多通道 PIN 二极管等间距排布，可同时采集多条谱线光强，广泛用于光谱仪
分段式：2 或 4 像元结构，用于位置检测、光斑对准
光谱范围：

石英窗口（Q 后缀）：190~1100 nm（深紫外～近红外）
玻璃窗口（R 后缀）：340~1100 nm（可见光 + 近红外）

2.4 化合物半导体光电二极管

InGaAs PIN 光电二极管：工作于 1.0~1.7 μm 近红外波段，是光纤通信的核心探测器件，滨松最新产品可支持 64 Gbps 传输速率
InAsSb 光伏探测器：中红外波段，用于 CO₂等气体检测

三、关键性能参数

3.1 线性度特性

滨松硅光电二极管具有优异的光电流线性度：

下限由噪声等效功率（NEP）决定
上限由负载电阻和反向电压决定
3.2 噪声特性
总噪声电流由三部分组成：
热噪声（Johnson 噪声）：来自并联电阻 R_sh，与温度和带宽相关
暗电流散粒噪声：来自反向偏置下的暗电流
光电流散粒噪声：来自光生载流子的量子涨落
噪声等效功率（NEP）：产生等于噪声电流所需的入射光功率，是衡量探测灵敏度的核心指标。
3.3 响应速度
响应时间由三个因素共同决定：
电路时间常数 t₁：由终端电容和负载电阻决定（t₁ = 2.2 × C_t × R_L）
扩散时间 t₂：耗尽层外产生的载流子扩散进入耗尽层的时间
渡越时间 t₃：载流子穿越耗尽层的时间

四、典型应用领域

医疗与生命科学：生化分析、血液检测、荧光测量、OCT 成像
分析仪器：分光光度计、色谱仪、光谱仪
光通信：光纤通信接收端（InGaAs PIN/APD）
工业自动化：光学编码器、激光测距、障碍物检测
环境监测：粒子计数、烟尘检测、激光雷达
辐射探测：搭配闪烁体用于 X 射线、行李安检设备
汽车电子：日照传感器、空调风量控制

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