光电二极管电流
光敏二极管
光敏二极管(光电二极管)基础知识什么光敏二极管光敏二极管工作原理光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。
它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光电二极管（也称光敏二极管）是在反向电压作用之下工作的。
没有光照时，反向电流很小（一般小于微安），称为暗电流。
当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。
这种特性称为“光电导”。
光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
光敏二极管特性曲线光电流---正电压特性短路电流---照度特性波长分布特性光敏二极管的特点应用时反向偏置连接没光照射，呈现极高阻值有光照射时，电阻减小可作光控关关光敏二极管的符号及接线图光敏二极管符号光敏二极管接线图光电二极管与光电三极管的联系与区别光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。
光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。
光电三极管除具有光电转换的功能外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。
光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。
同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。
光电二极管工作原理
光电二极管工作原理光电二极管工作原理是现代电子学和光学领域中一个重要的概念，它被广泛应用于光电转换和光信号检测等方面。
本文将介绍光电二极管的基本原理、结构与工作方式，并探讨其在实际应用中的优势和局限性。
一、光电二极管的基本原理光电二极管是一种能够将光能转换为电能的器件。
它利用光照射在特定的半导体材料上时，产生光生载流子的现象，使得材料的导电性发生变化。
其工作原理可归结为光生载流子隔离和电场效应两个方面。
光生载流子隔离：当光照射到光电二极管的PN结区域时，光能被半导体吸收并产生电子-空穴对。
由于PN结区域的电场分布，电子会向N区移动，空穴则会向P区移动，从而产生电流。
这个过程可以看作是光生载流子隔离的结果，使得光电二极管能够将光信号转化为电信号。
电场效应：光生载流子的产生会引起PN结区域内的电场分布变化。
当光照强度较弱时，电场效应几乎不起作用，光电二极管只能检测到非常强的光信号。
但是当光照强度大到一定程度时，光生载流子的产生会显著改变PN结区域的电场分布，从而导致电流的变化。
这种电场效应使得光电二极管能够对光信号的强弱进行精确检测。
二、光电二极管的结构与工作方式光电二极管的基本结构由PN结、近电平和金属电极组成。
PN结是光电转换的关键部分，它采用不同材料的半导体层叠而成。
近电平则用于收集和传输光生载流子，以增强光电转换效率。
金属电极则提供外界电压和电流的连接接口。
光电二极管的工作方式可分为两种：正向工作和反向工作。
在正向工作时，PN结的P区连接到正电压，N区连接到负电压，形成正向偏置。
此时，光照射到光电二极管时，光生载流子会在电场力的作用下被隔离并引起电流变化。
而在反向工作时，PN结的P区连接到负电压，N区连接到正电压，形成反向偏置。
此时，光照射到光电二极管时，电流几乎不发生变化。
三、光电二极管的优势和局限性光电二极管具有以下几个优势：1. 高灵敏度：光电二极管能够对光信号进行高效率的转换，使得它在光通信和光传感等领域具有重要应用价值。
半导体光电二极管的工作原理
半导体光电二极管的工作原理半导体光电二极管是一种基于半导体材料的光电转换器件，它能将光能转化为电能。
其工作原理是基于半导体材料在光照下的光电效应和PN结的整流作用。
半导体光电二极管的基本结构由P型半导体和N型半导体组成，它们通过PN结相互连接。
在PN结的两侧形成了一个电势差，即内建电场。
当外界光照射到PN结上时，光子会激发半导体材料中的自由电子和空穴，使它们跃迁到导带和价带中。
当光子能量大于半导体材料的带隙能量时，光子激发的电子和空穴会产生足够的能量克服内建电场的阻挡，从而形成电流。
这个电流被称为光生电流，它是光电二极管的输出信号。
光生电流的大小与入射光的强度成正比。
与普通的二极管不同，光电二极管的PN结没有外加电压时也能工作，这是因为PN结的内建电场可以阻止电子和空穴的自由扩散，使得光电二极管在无光照时呈现出一个很高的阻抗状态，即反向偏置状态。
当外界光照射到光电二极管时，光子的能量激发了PN结中的载流子，使其产生了电流。
这个电流通过外部电路，可以被接收和测量。
由于光生电流与入射光的强度成正比，因此光电二极管可以用来测量光的强度。
除了光生电流，光电二极管在电压正向偏置时还会产生一个漏电流。
这个漏电流是由于PN结的载流子复合效应和热激发效应导致的。
当光电二极管处于暗态时，即无光照射时，漏电流是存在的，但其大小较小，可以在设计中忽略不计。
由于半导体材料的带隙能量与入射光的波长有关，因此光电二极管的光谱响应范围也是有限的。
不同材料和不同结构的光电二极管对不同波长的光具有不同的响应能力。
根据需要，可以选择合适的光电二极管来测量特定波长范围内的光强度。
半导体光电二极管具有响应速度快、灵敏度高、体积小、功耗低等优点，广泛应用于光通信、光测量、光电检测等领域。
同时，光电二极管也可以作为其他光电器件的基础元件，如光电二极管阵列和光敏三极管等。
总结起来，半导体光电二极管的工作原理是通过光电效应和PN结的整流作用，将入射光转化为电流输出。
光电二极管
光电二极管又名：photodiode光电二极管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。
光电二极管与常规的半导体二极管基本相似，只是光电二极管可以直接暴露在光源附近或通过透明小窗、光导纤维封装，来允许光到达这种器件的光敏感区域来检测光信号。
许多用来设计光电二极管的二极管使用了一个PIN结，而不是一般的PN结，来增加器件对信号的响应速度。
光电二极管常常被设计为工作在反向偏置状态。
工作原理一个光电二极管的基础结构通常是一个PN结或者PIN结。
当一个具有充足能量的光子冲击到二极管上，它将激发一个电子，从而产生自由电子（同时有一个带正电的空穴）。
这样的机制也被称作是内光电效应。
如果光子的吸收发生在结的耗尽层，则该区域的内电场将会消除其间的屏障，使得空穴能够向着阳极的方向运动，电子向着阴极的方向运动，于是光电流就产生了。
实际的光电流是暗电流和光照产生电流的综合，因此暗电流必须被最小化来提高器件对光的灵敏度。
光电压模式当偏置为0时，光电二极管工作在光电压模式，这是流出光电二极管的电流被抑制，两端电势差积累到一定数值。
光电导模式当工作在这一模式时，光电二极管常常被反向偏置，急剧的降低了其响应时间，但是噪声不得不增加作为代价。
同时，耗尽层的宽度增加，从而降低了结电容，同样使得响应时间减少。
反向偏置会造成微量的电流（饱和电流），这一电流与光电流同向。
对于指定的光谱分布，光电流与入射光照度之间呈线性比例关系。
尽管这一模式响应速度快，但是它会引发更大的信号噪声。
一个良好的PIN二极管的泄漏电流很小（小于1纳安），因此负载电阻的约翰逊&mid dot;奈奎斯特噪声（Johnson–Nyqu ist noise）会造成较大的影响。
其他工作模式雪崩光电二极管具有和常规光电二极管相似的结构，但是需要高得多的反向偏置电压。
这将允许光照产生的载流子通过雪崩击穿大量增加，在光电二极管内部产生内部增益，从而进一步改善器件的响应率。
光电二极管电流课件PPT
缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提
供数百伏偏置电压的电压源。
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7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二 半导体光电二极管极体积管小，重量轻，灵敏度
高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。
定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之
比，即
发射电子数
入射光子数
发射电子数
P hf
iePePCP
hf hc
检测电流正 比于光功率
在子－光空电穴二Pi对极，管h因的e此应f检用测中he器，c的10量0个子U光效子率会范产e围h生P为f303RL到0%9~5个95P电%R。L
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例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其 功函数为1.9eV,计算其截止波长。
1.240.65m
1.9
光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。
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Quantum Efficiency 量子效率
量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它
i e0.00A 6/W 4
P hc
M 1 .9 1 5 6 0 0 .00 1 .6 5 k 2 /W 4 A
iM 1.5 2 13 0 1 6 0 1.5 2 mA
2021/3/1U 0 M 1.5 2 13 05 0 6m 25V
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Photomultiplier
光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可以 在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大 器的外部增益（External Gain）一般会引入噪声 ，降低信噪比。
光电二极管的工作原理解析
光电二极管的工作原理解析光电二极管是一种能够将光能转化为电能的器件，它在现代科技领域中被广泛应用。
在我们日常生活中，光电二极管可以用于光电传感器、光通信、光电测量等领域。
那么，它是如何工作的呢？光电二极管的工作原理基于光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，物质中的电子会被光子激发，从而跃迁到导带中形成电流。
光电二极管中的主要材料是半导体材料，如硅(Si)和锗(Ge)等。
这些材料具有特殊的能带结构，其中包括导带和价带。
当光照射到光电二极管的半导体材料上时，光子的能量会被吸收，使得材料中的电子跃迁到导带中。
在光照射下，导带中的电子数量增加，而价带中的电子数量减少。
这种跃迁过程会形成一个电子空穴对，其中电子位于导带中，而空穴位于价带中。
在光电二极管中，导带和价带之间存在能带间隙。
当光子的能量大于能带间隙时，电子可以跃迁到导带中，形成电流。
而当光子的能量小于能带间隙时，光子无法激发电子跃迁，因此不会产生电流。
这就解释了为什么光电二极管只对特定波长的光敏感。
此外，光电二极管还包含一个PN结。
PN结是由一种N型半导体和一种P型半导体组成的结构。
N型半导体中的电子浓度较高，而P型半导体中的空穴浓度较高。
当PN结形成时，电子和空穴会发生扩散运动，形成电势差。
在正向偏置条件下，电子会从N型半导体向P型半导体扩散，而空穴会从P型半导体向N型半导体扩散。
这种扩散运动会导致PN结两侧产生电势差，形成电流。
光电二极管的工作原理就是基于PN结的特性。
当光照射到光电二极管的PN 结上时，光子的能量会激发PN结中的电子和空穴，使它们发生扩散运动。
这种扩散运动会导致PN结两侧产生电势差，形成电流。
通过测量这个电流，我们就可以得到光的强度信息。
此外，光电二极管还具有快速响应的特点。
由于光电二极管中的电子和空穴可以迅速跃迁，所以它的响应速度非常快。
这使得光电二极管在高速通信和光电测量等领域中得到广泛应用。
总结起来，光电二极管的工作原理是基于光电效应和PN结的特性。
简述光电二极管的工作原理
光电二极管的工作原理一、光电二极管的基本概念1.1 光电二极管的定义光电二极管（Photodiode）是一种能够将光信号转换为电信号的半导体器件。
它是一种光电转换器件，能够将光子的能量转变为电子的能量，并产生电流输出。
1.2 光电二极管的分类根据不同的工作原理和结构，光电二极管可以分为以下几类： 1. PN结光电二极管 2. 管式光电二极管 3. 稳压光电二极管 4. 反射式光电二极管 5. PIN结光电二极管二、PN结光电二极管的工作原理2.1 PN结光电二极管的结构PN结光电二极管是一种最常见且应用最广泛的光电二极管。
它由P型和N型半导体材料组成，中间形成PN结。
在PN结的两端设置正负电源，形成一个正向偏置的二极管。
2.2 PN结光电二极管的工作原理当光线照射到PN结上时，会产生光生电子及空穴对。
其中，光生电子会被PN结的电场分离，向N区移动；而空穴会被电场分离，向P区移动。
这样，就在PN结两侧建立了阳极和阴极之间的电压，从而产生电流。
但需要注意的是，PN结的工作原理并不是简单的光生电子和空穴对的分离。
在实际应用中，还需要考虑PN结的正向偏压、载流子的扩散和漂移过程、缺陷等因素。
三、光电二极管的特性参数3.1 光电流和光电压光电流（Photocurrent）是光照射到光电二极管时产生的电流。
当光强度增大时，光电流也会相应增大。
光电压（Photovoltage）是光电二极管在光照射下产生的电压。
其大小与光电二极管的尺寸和材料参数有关。
3.2 光电二极管的响应速度光电二极管的响应速度是指光电二极管对光信号变化的快慢程度。
它取决于光电载流子的寿命、扩散长度和漂移速度等因素。
3.3 光电二极管的谱响应范围光电二极管的谱响应范围是指在光照射下，光电二极管能够产生电流的波长范围。
不同材料的光电二极管具有不同的谱响应范围。
四、光电二极管的应用4.1 光电二极管在光通信中的应用光电二极管在光通信中广泛应用于光信号检测、光电转换和光检测等领域。
光敏二极管的暗电流越小越好
光敏二极管的暗电流越小越好是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。
暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。
光敏二极管是一种采用PN结单向导电性能的结型光电器件，也叫光电二极管，能够将光信号变成电信号的探测器件，通过在PN结加上反向电压，在光的照射下反向导通，光敏二极管所用材料一般有硅、锗等。
如下图是光敏二极管的外形结构与符号。
光敏二极管一般有ZDU型和ZCU型两种。
一般常用的是ZCU型,它是全密封、金属外壳、顶部有玻璃窗口。
光敏二极管具有体积小、重量轻、使用寿命长、灵敏度高等特点。
1、光敏二极管主要参数①最高工作电压Ｕmax：在无光照射时，光敏二极管反向电流不超过0.lμA时，所加的反向最高电压值。
②光电流IL：光敏二极管在受到一定光线照射时，在加有正常反向工作电压时的电流值。
③暗电流ID：在无光照射时，光敏二极管加有正常工作电压时的反向漏电流。
④响应时间Tr:光敏二极管把光信号转换为电信号所需的时间。
⑤光电灵敏度:表示光敏二极管对光的敏感程度。
2、光敏二极管应用光敏二极管有PN结型、PIN结型、雪崩型以及肖特基结型4种，其中应用较多的是用硅材料制成的PN结型光敏二极管。
光敏二极管主要用于自动控制。
如光耦合、光电读出装置、红外线遥控装置、红外防盗、路灯的自动控制、过程控制、编码器、译码器等。
3、光敏二极管检测1）光敏二极管引脚的区分通常直接查看光敏二极管的引脚长短即可区分:引脚长的为正极(P极)，引脚短的为负极(N极) 2）对于有色点或管键标识的管子，其靠近标识的一脚为正极，另一脚为负极。
3）用万用表的区别方法是将万用表置于Rx1k挡，用挡板挡住管子的受光窗口，用红、黑表笔对调测出两次阻值，其阻值较大的一次测量中(反向阻值)，红表笔所接的引脚为正极，黑表笔所接的引脚为负极。
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输入功率波形
检测器输出的电流波形
7.2 Photomultiplier 光电倍增管
入射光子 阴极 发射电子 阳极
Vacuum photodiode真空光电二极管
Vacuum photodiode
单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数 (Work Function)，入射光子的能量必须大于此值才能产生 光致电子发射。
i e 0.0064 A / W P hc
M 1.9510 0.0064 12.5kA / W
6
iM 12.5 10 10 12.5mA
3
6
U M 12.5 10 50 625mV
3
Photomultiplier
光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可以 在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大 器的外部增益（External Gain）一般会引入噪声 ，降低信噪比。 光电倍增管响应速度很快，不到1ns。
1．Responsivity 响应度 光检测器的主要性能指标
光检测器的输出电流与入射光功率之比称为响应度 。
IP Pin
单位：安培每瓦/伏特每瓦
2. Spectral Response 光谱响应
检测器响应度和波长之间的函数关系。
3. Rise Time 上升时间tr
在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检测器的 输出电流从最大值的10%上升到90%所用时间。
M
N
通过外电路的电流为：
MeP i hf
例7.4，假定一个光电倍增管有9个倍增电极 ，每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍 增管的电流放大倍数。
M 1.9610
N
6
例7.5，假设一个PMT有例7.4所得的增益， 先用来检测光功率为1uW，波长为0.8um的 光信号，阴极的效率为1%，负载为50欧。 计算其响应度、电流和输出电压。
光纤通信第七章
Light Detector 光检测器
驱动电路 调制器 光源
中继器 光纤
光电二极 管
光纤
放大器
判决器
光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。
光信号 光电 变换
前置 放大
主放 大器
均衡 滤波
判 决 器
输出
AGC电路 前端 性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比 线性通道
i
i
eP eP
hf hc
CP
检测电流正 比于光功率
ePR 在光电二极管的应用中， 100 个光子会产生 30 L 到95个电 U PR L 子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为 30%~95%。 P hf hc
hf
e e
例7.2，假定检测器在0.8um波段的量子效率 为1%，试计算其响应度。 i e 0.0064 A / W 6.4mA / W P hc 例7.3，根据7.2结果，计算当检测器接收的 光功率为1uW时，一个50欧负载电阻两端的 电压。
缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提
供数百伏偏置电压的电压源。
7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二极管
半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度 高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。 PN型光电二极管 PIN型光电二极管
雪崩型（APD）光电二极管
i P 6.4nA
U iR 320 nV
Photomultiplier （PMT）
入射光子 阴极 倍增电极 阳极
二次发射 电子
Photomultiplier
每个倍增电极的增益(Gain)指每个入射电子所 产生的二次发射电子数的平均值。通常在2~6之 间。 假设每个倍增电极的增益为δ，总的增益为：
时钟恢复 时钟提取与数据再生 （CDR）
对信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。
前 言
发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度 衰减了，而且脉冲波形也展宽了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光 信号，并放大、整形、再生成原输入信号。 它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为 电信号的光电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪 声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应 与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些 要求。
例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其 功函数为1.9eV,计算其截止波长。
1.24 铯阴极检测到。
Quantum Efficiency 量子效率
量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它 定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之 比，即 发射电子数 发射电子数 入射光子数 P hf
hf
光子能量hf大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否 则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一 种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength )C：
1.24 C (eV )
hc
光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测 器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超 过功函数，能被检测到。
Chapter 7 Light Detector
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 光检测原理 光电倍增管 半导体光电二极管 PIN型光电二极管 雪崩光电二极管 光接收机
Light Detector
7.1 Principles of Photodetection 光探测原理
External Photoelectric Effect(外部光电效应)： 金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释 放电子，形成光生电流——真空光电二极管 和光电倍增管 Internal Photoelectric Effect(内部光电效应)： 半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由 电荷载流子（电子和空穴）——pn结光电二 极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管