三種類型的光電二極體及其結構和工作原理

三種類型的光電二極體以及如何在它們之間進行選擇

光電二極體是將光轉換為電信號的半導體器件。在需要光電轉換的場合，它們具有多種用途，例如對光做出反應或測量光強度的感測器、DVD 等光碟的鐳射拾取器以及光通信中的光信號檢測。光電二極體主要分為三種類型，具有不同的結構和工作原理：PN 光電二極體、PIN 光電二極體和雪崩光電二極體 （APD）。在本文中，我們將討論每種結構的結構和特徵。

我們將從討論光電二極管時經常出現的三個關鍵名詞開始：光敏度、暗電流（雜訊）和反應速度。

光敏性表示光電二極體吸收光以產生電子和空穴的效率。光敏性越高，產生的電流就越大。

暗電流是一種即使在沒有光的情況下也會流經光電二極體的小電流。它是由外部熱量引起的天然載流子（電子和空穴）以及晶體缺陷和雜質引起的電子激發引起的。有必要盡可能抑制暗電流的產生，因為它會產生感測器雜訊，從而降低測量精度和靈敏度。

回應速度通常表示為從光進入光電二極體到產生電流並流出的時間間隔。 影響回應速度的因素有很多，例如器件內耗盡層的厚度、反向偏置電壓的大小、器件面積和工作溫度。由於這些因素會改變電子在半導體內部傳播的速度，因此回應速度也會發生變化。

PN 光電二極體、PIN 光電二極體和雪崩光電二極體 （APD） 的特性不同，因此需要根據應用選擇類型。

PN 光二極體的結構與運作原理

下面，我們將討論每種光電二極體的結構和工作原理。

PN 光電二極體是具有基本結構的光電二極體。它們由 p 型半導體和 n 型半導體組成，兩端用電極連接在一起，類似於光伏電池。

PN 光電二極體的工作原理如下：當兩種不同類型的半導體連接形成 PN 半導體時，多餘的電子從 n 型半導體移動到 p 型半導體以連接空穴。結果，在 PN 結附近形成了一個稱為耗盡層的區域。在耗盡層中，n 型側帶正電荷，p 型側帶負電荷。耗盡層中的電荷不平衡會產生內部電場。該電場使 PN 光電二極管可以在不施加外部電壓的情況下工作。

如上圖所示，當光進入 PN 光電二極體的耗盡層時，光能會產生電子-空穴對。由於內部電場的作用，電子向 n 型半導體側的電極移動，空穴向 p 型半導體側的電極移動。只要有光，這種電子和空穴的流動就會繼續。

PN 光電二極體結構簡單，具有易於製造、成本低、運行穩定等優點。雖然回應速度較慢，但暗電流較低。因此，它們被廣泛用於光強度測量。

PIN 光二極體的結構與運作原理

PIN 光電二極體是光檢測器件，其結構比傳統的 PN 光電二極體有所改進。顧名思義，該結構包括 p 型半導體層和 n 型半導體層之間的純半導體本徵 （i-type） 層。這種設計實現了快速回應速度和高靈敏度，同時保持了低暗電流。
在傳統的 PN 光電二極管中，光主要被 p 型層和 n 型層交界處附近自然形成的狹窄耗盡層吸收。另一方面，在 PIN 光電二極體中，特意引入了寬 i 型層來實現這一角色。這個 i 型層由純半導體組成，電子或空穴很少，使其能夠有效地吸收光。

當 PIN 光電二極管工作時，反向偏置電壓施加到 i 型層。這在 i 型層內形成強電場。當光照射到 i 型層時，光子能量會產生電子-空穴對。由於強電場的影響，產生的電子和空穴高速移動。具體來說，電子向 n 型層的電極移動，空穴向 p 型層的電極移動。這種高速運動會產生強大的電流。
PIN 光電二極體的主要優點是回應速度快、靈敏度高、暗電流低。高回應速度是由於強電場導致載流子高速運動的結果，而高靈敏度是厚 i 型層中有效吸收光的結果。i 型層的低載流子濃度也有助於實現低暗電流。

由於這些特性，PIN 光電二極體被廣泛用於各種高性能應用。特別是在需要高速數據傳輸的光通信接收器、需要檢測微弱信號的醫療成像設備等中，它們發揮著關鍵作用。

雪崩光電二極體 （APD） 的結構和工作原理

雪崩光電二極體是高性能光檢測器件，性能明顯高於傳統光電二極體。由於內部光電子倍增效應，它們的主要特點是高靈敏度。這使得它們特別適合檢測微弱的光信號。
APD 結構比標準 PN 或 PIN 光電二極體更複雜，具有主要由 p 型半導體組成的多層結構。具體來說，有三個層（p+、p- 和 p），每個層都發揮著自己的作用。p+ 層具有較高的載流子濃度，而 p- 層具有相對較低的載流子濃度。這些結構特性使APD能夠獨特運行。
APD 的工作原理基於一種稱為雪崩倍增的現象。該過程如下：

1. 光吸收:p層吸收光，產生一對電子和空穴。
2. 電子加速:產生的電子在強電場的作用下加速進入p層。
3. 電子碰撞：加速的電子與半導體中的原子碰撞併產生新的電子-空穴對。
4. 鏈式倍增:產生的電子再次加速，導衹進一步的碰撞和電子孔對的產生。
5. 電子雪崩:這種連鎖反應會導衹電子和孔的數量像雪崩 (雪崩) 一樣增加。

這種電子雪崩對 APD 具有極高的靈敏度。即使是微弱的光信號也會被顯著放大，從而產生可以檢測到的強電流。
APD 需要高電壓才能運行。每層中的電場並不均勻，使 p 型層變薄會在耗盡層中產生較大的電場梯度。這種強大的電場梯度可實現高效的電子雪崩。

由於其優異的性能，APD 在光通信接收器、弱光條件下的天文觀測以及需要高靈敏度的科學儀器等廣泛領域發揮著重要作用。特別是，當需要檢測微弱的光信號時，它們真正閃耀。
但是，使用APD時也存在挑戰。複雜的結構和高電壓工作要求導致製造成本高，使其比其他類型的光電二極管更昂貴。此外，溫度控制和精確的電壓控制等專業作對於正常運行是必要的。

雖然 APD 可以提供高性能，但它們需要深厚的專業知識和適當的作環境。儘管如此，它們卓越的靈敏度在許多尖端應用中是必不可少的，為光學工程技術的發展做出了貢獻。