光电二极管基础知识

更新时间：2026-07-27

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光电二极管是一种接收光的元件，当光线被照射时，微小电流以恒定方向流动。

当光照射到半导体结处时，会产生内部光电效应，利用电子激发和电流流动的特性来检测辐照光的强度。由于其在光接收检测上具有很高的精度，因此在光学通信设备中尤为必要。

此外，它还集成到医疗设备中，如气体浓度测量。二极管结构主要包括PN结、PIN结和雪崩类型，每种结构具有不同的灵敏度和响应时间。

光电二极管的典型应用包括CD/DVD播放器的拾取点、电视遥控器和光通信。特别是具有高光敏度的PIN结类型广泛应用于光学通信系统，同时也广泛应用于各种应用。

在光电二极管的三种结构中，这是使用广泛的类型。它也被用于断层扫描和X光机等医疗器械中。

光电二极管利用一种物理现象，当光照射到器件上时，半导体结处的电子被激发，通过测量电流可以检测到光的量。

由于可探测光的波长取决于二极管材料，因此必须根据预期的波长应用来选择。主要使用的材料是硅、锗和硫化铅。

当光照射到耗尽层（标志P型和N型半导体的分界）时，电子向N型半导体流动，而P型半导体中电子运动会产生空穴。当光被照射时，电子和空穴的流动会发生，因此电子流动被检测为电流，但其响应速度较慢。

由于背景噪声（也称为暗电流）很小，它是光电二极管广泛使用的结构。 P型半导体、I型半导体和N型半导体依次连接。

通过对I型半导体段施加反向偏置电压，激发电子顺畅流入N型半导体，从而提高响应速度。

一个显著特征是P型半导体层从电极位置依次划分为p+层、p层和p层。得益于其雪崩（电子雪崩）放大功能，它具有极其微弱的光线检测并具有超高速响应的特性。通常会施加高电压，称为APD。

当两个电极都开路时，光电二极对温度高度依赖，在短路中光与电流的关系非线性，难以直接应用于应用。因此，对于测量亮度的亮度计或曝光仪等应用，采用一种电路配置：光电二极管阴极连接到运算放大器的反相输入端，阳极连接到非反相端，并在运算放大器的输出端和反相输入端之间插入反馈电阻Rf。

在该电路中，短路电流为×返回电阻Rf，对应光强，成为运算放大器的输出电压（反相输入端的参考电压），光电二极管两端（阳极与阴极之间）电压为0V，相当于两端短路（虚短路）。

因此，由于短路电流 S 与光的强度成正比，运算放大器的输出电压可以表示为光的强度。在实际电路中，连接一个电容Cf以补偿光电二极管电容引起的响应延迟，从而加快响应速度。

硅光电二极管输出电流至320nm至1100nm的光波段，但在800nm至1000nm的近红外范围表现为特别高的灵敏度。人类可见光范围为380nm~720nm，灵敏度峰值约为550nm，因此其光谱灵敏度特性不同于硅光电二极管。

因此，硅光电二极管的输出不能仅仅作为亮度来处理。例如，在近红外辐射丰富的环境中，硅光电二极管的输出会增加，但由于人眼看不见，所以感觉不到亮度。

因此，作为传感器如光度计使用时，必须将人眼的灵敏度特性与硅光电二极管的光谱灵敏度匹配。在这种情况下，在硅光电二极管表面安装了视觉感光校正滤波器。

此外，锗和锗砷也用于硅以外的波长应用。这是因为带隙能量会随材料性质值变化，特别是InGaAs适用于波长超过1微米的应用。