三种类型的光电二极管及其结构和工作原理

三种类型的光电二极管以及如何在它们之间进行选择

光电二极管是将光转换为电信号的半导体器件。在需要光电转换的场合，它们具有多种用途，例如对光做出反应或测量光强度的传感器、DVD 等光盘的激光拾取器以及光通信中的光信号检测。光电二极管主要分为三种类型，具有不同的结构和工作原理：PN 光电二极管、PIN 光电二极管和雪崩光电二极管 （APD）。在本文中，我们将讨论每种结构的结构和特征。

我们将从讨论光电二极管时经常出现的三个关键术语开始：光敏性、暗电流（噪声）和响应速度。

光敏性表示光电二极管吸收光以产生电子和空穴的效率。光敏性越高，产生的电流就越大。

暗电流是一种即使在没有光的情况下也会流经光电二极管的小电流。它是由外部热量引起的天然载流子（电子和空穴）以及晶体缺陷和杂质引起的电子激发引起的。有必要尽可能抑制暗电流的产生，因为它会产生传感器噪声，从而降低测量精度和灵敏度。

响应速度通常表示为从光进入光电二极管到产生电流并流出的时间间隔。 影响响应速度的因素有很多，例如器件内耗尽层的厚度、反向偏置电压的大小、器件面积和工作温度。由于这些因素会改变电子在半导体内部传播的速度，因此响应速度也会发生变化。

PN 光电二极管、PIN 光电二极管和雪崩光电二极管 （APD） 的特性不同，因此需要根据应用选择类型。

PN 光电二极管的结构和工作原理

下面，我们将讨论每种光电二极管的结构和工作原理。

PN 光电二极管是具有基本结构的光电二极管。它们由 p 型半导体和 n 型半导体组成，两端用电极连接在一起，类似于光伏电池。

PN 光电二极管的工作原理如下：当两种不同类型的半导体连接形成 PN 半导体时，多余的电子从 n 型半导体移动到 p 型半导体以连接空穴。结果，在 PN 结附近形成了一个称为耗尽层的区域。在耗尽层中，n 型侧带正电荷，p 型侧带负电荷。耗尽层中的电荷不平衡会产生内部电场。该电场使 PN 光电二极管可以在不施加外部电压的情况下工作。

如上图所示，当光进入 PN 光电二极管的耗尽层时，光能会产生电子-空穴对。由于内部电场的作用，电子向 n 型半导体侧的电极移动，空穴向 p 型半导体侧的电极移动。只要有光，这种电子和空穴的流动就会继续。

PN 光电二极管结构简单，具有易于制造、成本低、运行稳定等优点。虽然响应速度较慢，但暗电流较低。因此，它们被广泛用于光强度测量。

PIN 光电二极管的结构和工作原理

PIN 光电二极管是光检测器件，其结构比传统的 PN 光电二极管有所改进。顾名思义，该结构包括 p 型半导体层和 n 型半导体层之间的纯半导体本征 （i-type） 层。这种设计实现了快速响应速度和高灵敏度，同时保持了低暗电流。
在传统的 PN 光电二极管中，光主要被 p 型层和 n 型层交界处附近自然形成的狭窄耗尽层吸收。另一方面，在 PIN 光电二极管中，特意引入了宽 i 型层来实现这一角色。这个 i 型层由纯半导体组成，电子或空穴很少，使其能够有效地吸收光。

当 PIN 光电二极管工作时，反向偏置电压施加到 i 型层。这在 i 型层内形成强电场。当光照射到 i 型层时，光子能量会产生电子-空穴对。由于强电场的影响，产生的电子和空穴高速移动。具体来说，电子向 n 型层的电极移动，空穴向 p 型层的电极移动。这种高速运动会产生强大的电流。
PIN 光电二极管的主要优点是响应速度快、灵敏度高、暗电流低。高响应速度是由于强电场导致载流子高速运动的结果，而高灵敏度是厚 i 型层中有效吸收光的结果。i 型层的低载流子浓度也有助于实现低暗电流。

由于这些特性，PIN 光电二极管被广泛用于各种高性能应用。特别是在需要高速数据传输的光通信接收器、需要检测微弱信号的医疗成像设备等中，它们发挥着关键作用。

雪崩光电二极管 （APD） 的结构和工作原理

雪崩光电二极管是高性能光检测器件，性能明显高于传统光电二极管。由于内部光电子倍增效应，它们的主要特点是高灵敏度。这使得它们特别适合检测微弱的光信号。
APD 结构比标准 PN 或 PIN 光电二极管更复杂，具有主要由 p 型半导体组成的多层结构。具体来说，有三个层（p+、p- 和 p），每个层都发挥着自己的作用。p+ 层具有较高的载流子浓度，而 p- 层具有相对较低的载流子浓度。这些结构特性使 APD 能够独特运行。
APD 的工作原理基于一种称为雪崩倍增的现象。该过程如下：

1. 光吸收:p层吸收光，产生一对电子和空穴。
2. 电子加速:产生的电子在强电场的作用下加速进入p层。
3. 电子碰撞：加速的电子与半导体中的原子碰撞并产生新的电子-空穴对。
4. 链式倍增:产生的电子再次加速，导致进一步的碰撞和电子孔对的产生。
5. 电子雪崩:这种连锁反应会导致电子和孔的数量像雪崩 (雪崩) 一样增加。

这种电子雪崩对 APD 具有极高的灵敏度。即使是微弱的光信号也会被显著放大，从而产生可以检测到的强电流。
APD 需要高电压才能运行。每层中的电场并不均匀，使 p 型层变薄会在耗尽层中产生较大的电场梯度。这种强大的电场梯度可实现高效的电子雪崩。

由于其优异的性能，APD 在光通信接收器、弱光条件下的天文观测以及需要高灵敏度的科学仪器等广泛领域发挥着重要作用。特别是，当需要检测微弱的光信号时，它们真正闪耀。
但是，使用 APD 时也存在挑战。复杂的结构和高电压工作要求导致制造成本高，使其比其他类型的光电二极管更昂贵。此外，温度控制和精确的电压控制等专业作对于正常运行是必要的。

虽然 APD 可以提供高性能，但它们需要深厚的专业知识和适当的作环境。尽管如此，它们卓越的灵敏度在许多尖端应用中是必不可少的，为光学工程技术的发展做出了贡献。