光电二极管的工作原理与应用
学生：李阳洋王煦何雪瑞黄艺格指导老师：陈永强
摘要：光电二极管是结型器件。当光照射在P-N结时,光子被吸收,产生电子-空穴对,电子和空穴在结区被结电场所收集,在外电路形成光电流。为了保证绝大部分响应波长的入射光能在结区吸收,这就要求空间电荷区有足够宽度,所以外电路加有足够的反偏电压。
关键词：光电二极管;光电流;暗电流;反偏电压;光功率
1、引言
随着科学技术的发展，在信号传输和存储等环节中，越来越多地应用光信号。采用光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。光电二极管是光电子系统的电子器件。光电二极管（photodiode）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就是通过大面积的光电二极管来产生电能。
2、工作原理
光电二极管是将光信号转换成电流或电压信号的特殊二极管，它与常规二极管结构上基本相似，都具有一个PN结，但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。其基本原理是当光照在二极管上时，被吸收的光能转换成电能。光电二极管工作在反向电压作用下，只通过微弱的电流（一般小于0.1微安），称为暗电流，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电子，使有些电子挣脱共价键，而产生电子-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数目是有限的，而光照前多子的数目远大于光生载流子的数目，所以光生载流子对多子的影响是很小的，但少子的数目少有比较大的影响，这就是为什么光电二极管是工作在反向电压下而不是正向电压下，于是在反向电压作用下被光生载流子影响而增加的少子参加漂流运动，在P区，光生电子扩散到PN结，如果P区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子将能穿过P区到达PN结，在N区也是相同的道理，也因此光电二极管在制作时，PN结的结深很浅，以促使少子的漂移。综上若光的强度越大，反向电流也就越大，这种特性称为光导电，而这种现象引起的电流称为光电流。总的来说光电二极管的工作是一个吸收的过程，它将光的变化转换成反向电流的变化，光照产生电流和暗电流的综合就是光电流，因此光电二极管的暗电流因尽量最小化来提器件对光的灵敏度，光的强度与光电流成正比，因而就可以把光信号转换成电信号。
图1基本工作原理
3、结构
3.1光电二极管的伏安特性
光电二极管是工作在光导模式的结型光伏探测器，它工作在第三象限，此时二极管上加反向电压，内电场增强，PN结变宽，少子的漂流运动增强，多子的扩散运动减弱，扩散电流小于漂流电流，热平衡被打破，无光照时，光功率P=0，这时I S就是PN结的反向饱和电流；当有光辐射时，且入射光能量E大于半导体的禁带宽度，光子被半导体吸收，从而产生电子-空穴对，入射光功率越大，产生的电子-空穴对越多，光生电流就越大，其伏安特性线如图2所示。
图2光电二极管伏安特性
3.2光电二极管的外部结构（如图3所示）
图3光电二极管外部结构
3.3光电二极管的内部结构
当光照射时，光电二极管的工作原理与光电池的工作原理（如图4所示）很相似当光不照射时，光电二极管处于截止状态，只有少数载流子在反向偏压的作用下形成微小的反向电流，即暗电流。
图4光电池的结构示意图、符号及工作电路图
3.4光电二极管的外形
在光电二极管管壳上有一个能射入光线的透明玻璃，入射光通过透镜正好照射在管芯上（如图5所示）发光二极管是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内，发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜，光电二极管的管芯以及管芯上的PN 结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力，另外，与普通二极管一样，在硅片上生长了一层二氧化硅保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。
图5光电二极管实物图
4、光电二极管的主要参数
（1）反向工作电压UR
在无光照时，光电二极管中反向电流≤0．2~0．31μA时，答应的最高反向电压一般不大于10V，最高可达50V。
（2）暗电流ID
在无光照时，加一定反向电压时的反向漏电流与暗电流。通常在50V反压下的暗电流小于100nA。
（3）光电流IL
在受到一定光照及一定反压条件下，流过管子的电流为光电流。一般光电流为几十μA，并且与照度成线性关系。
（4）光谱响应特性
硅光电二极管的光谱范围为400～1100nm，其峰值波长为880～900nm，这与GaAs红外
发光二极管的波长相匹配，可获得较高的传输效率。
5、光电二极管的应用
5.1光电池
光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。如果这时，我们把它作为一个电源，接上外电路，只要保证有源源不断的光照，那么光电池就会源源不断的供电，这就是光电池。换句话说光电池是一种不需要加偏压的，能直接把光能转换成电能的PN结的光电器件，按照光电池的用途可分为太阳能光电池(图6)和测量光电池（图7）。
图6太阳能电池图7测量光电池
光电二极管和光电池的主要差别：用途不同。
光电池：用于能量转化，优点是可以提高转化率。
光电二极管：用于探测，优点是灵敏度高、响应快、高量子效率。
特性差异：（1）响应范围要求不同。
（2）响应时间不同。
（3）工作模式不同。
表1结构差异
偏置方式掺杂浓度
（cm）电阻率
（Ω/cm）
受光面积
光电池零偏1016~10190.1~0.01大
光电二极管反偏1012~10131000小
5.2太阳能电池
太阳能电池简称太阳电池，如图8所示，它是一种半导体器件，当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能，所以阳光照后，太阳电池两端会产生直流电压，从而将太阳光能直接转化为直流电流。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。
5.3光伏发电照明系统
光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏特效应。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，它分为独立发电系统和并网发电系统，与现有
