電子學手冊/元件/二極體/光電二極體
光電二極體是一種半導體二極體，用作光電探測器。光電二極體通常封裝在帶有視窗或光纖連線的封裝中，以讓光線進入器件的敏感部分。它們也可以在沒有視窗的情況下使用，以檢測真空紫外線或 X 射線。
光敏電晶體本質上只是一個雙極電晶體，它被封裝在一個透明的外殼中，以便光線能夠到達基極-集電極結。光敏電晶體的工作原理與光電二極體類似，但對光線的敏感度更高，因為由光子在基極-集電極結中產生的電子被注入基極，而這個電流隨後被電晶體操作放大。但是，光敏電晶體的響應時間比光電二極體慢。
光電二極體是一個 p-n 結或 p-i-n 結構。當具有足夠光子能量的光照射到二極體時，它會激發一個電子，從而產生一個移動電子和一個帶正電的電子空穴。如果吸收發生在結的耗盡區，或距離耗盡區一個擴散長度，這些載流子就會被耗盡區的內建電場從結中掃出，產生光電流。
光電二極體可以在零偏壓（光伏模式）或反向偏壓（光導模式）下使用。在零偏壓下，光照射到二極體上會導致器件兩端的電流，從而導致正向偏壓，進而引起反向光電流方向的“暗電流”。這被稱為光伏效應，是太陽能電池的基礎 - 事實上，太陽能電池只是一大堆大的光電二極體。
反向偏壓只會在其方向上引起少量電流（稱為飽和電流或反向電流）。但是，反向偏壓的一個更重要的影響是耗盡層的加寬（因此擴充套件了反應體積）和光電流的增強。基於這種效應的電路比基於光伏效應的電路對光更敏感。
雪崩光電二極體具有類似的結構，但它們的工作反向偏壓要高得多。這使得每個光生載流子可以透過雪崩擊穿進行倍增，從而導致光電二極體內部產生增益，從而提高器件的有效響應度。
用於製造光電二極體的材料對於定義其特性至關重要，因為只有能量足以激發電子跨越材料帶隙的光子才會產生顯著的光電流。
用於生產光電二極體的常見材料
| 材料 | 波長範圍 (nm) |
|---|---|
| 矽 | 190–1100 |
| 鍺 | 400–1700 |
| 銦鎵砷 | 800–2600 |
| 硫化鉛 | <1000-3500 |
由於矽基光電二極體的帶隙更大，因此它們產生的噪聲比鍺基光電二極體少，但鍺光電二極體必須用於大於約 1 µm 的波長。
由於電晶體和積體電路由半導體制成，並且包含 P-N 結，因此幾乎每個有源元件都可能是一個光電二極體。許多元件，尤其是對微小電流敏感的元件，如果被照亮，將無法正常工作，因為會產生感應光電流。在大多數元件中，這不是想要的，因此它們被放置在一個不透明的外殼中。由於外殼對 X 射線或其他高能輻射並非完全不透明，因此這些輻射仍然會導致許多積體電路由於感應光電流而發生故障。
光電二極體的關鍵效能引數包括
- 響應度
- 產生的光電流與入射光功率的比率，通常在光導模式下以 A/W 表示。響應度也可以表示為量子效率，或者光生載流子數量與入射光子數量的比率，因此是一個無量綱的量。
- 暗電流
- 光電二極體在沒有任何輸入光訊號的情況下，在光導模式下執行時的電流。暗電流包括由背景輻射產生的光電流和半導體結的飽和電流。如果使用光電二極體進行精確的光功率測量，必須透過校準來考慮暗電流，並且它也是光電二極體在光通訊系統中使用時的噪聲來源。
- 噪聲等效功率
- (NEP) 產生光電流的最小輸入光功率，等於 1 赫茲頻寬中的均方根噪聲電流。相關特性探測率 (D) 是 NEP 的倒數，1/NEP；並且比探測率 () 是探測率歸一化到光電探測器面積 (A)，。NEP 大致是光電二極體的最小可檢測輸入功率。
當光電二極體在光通訊系統中使用時，這些引數會影響光接收器的靈敏度，即接收器實現指定誤位元速率所需的最小輸入功率。
P-N 光電二極體用於與其他光電探測器類似的應用，例如光電導體、電荷耦合器件和光電倍增管。
光電二極體用於消費電子裝置，例如光碟播放器、煙霧探測器和錄影機和電視遙控器的接收器。
在其他消費品中，例如相機測光表、時鐘收音機（那些在黑暗中會使顯示器變暗的收音機）和路燈，通常使用光電導體而不是光電二極體，儘管原則上兩者都可以使用。
光電二極體通常用於科學和工業中精確測量光強度。它們通常比光電導體具有更好、更線性的響應。
它們也廣泛用於各種醫療應用，例如計算機斷層掃描的探測器（與閃爍體耦合）或分析樣品的儀器（免疫分析）。它們也用於血氣監測儀。
PIN 二極體比普通 p-n 結二極體快得多，也更敏感，因此經常用於光通訊和照明調節。
P-N 光電二極體不用於測量極低光強度。相反，如果需要高靈敏度，則雪崩光電二極體、增強型電荷耦合器件或光電倍增管用於諸如天文學、光譜學、夜視裝置和雷射測距等應用。
- 本文部分內容改編自聯邦標準 1037C 和 FAA 光通訊術語詞彙表
- Gowar，John，光通訊系統，第 2 版，Prentice-Hall，英國漢普斯特德，1993 ISBN 0-13-638727-6