了解光电二极管：工作原理和应用 - 光亚展

在实际应用中，光电二极管经常与其他光学设备一起使用，以简化光信号的采集、处理和分析。

什么是光电二极管？

光电二极管是一种光电器件，在受到光或辐射时会产生电流。它们由反向偏置模式下工作的 pn 结半导体材料组成。

与 LED 不同，这些设备可以将光转换为电能。它们主要用于测量光的亮度或强度。它们也被称为光探测器、光传感器或光电探测器。

光电二极管通常 以图 1 所示的形式表示，其电路与二极管类似，唯一的区别在于箭头，箭头表示入射光或光子。

图 1 光电二极管符号（箭头表示入射光子或光）。来源：Rakesh Kumar 博士。

PN 结

光电二极管通常由p型和n型两种半导体材料组成，具有两个引线，即阳极和阴极，封装在绝缘材料中，如图2所示。常用的半导体材料包括砷化铟镓、锗和硅。

图 2 PN 结光电二极管示意图。来源：Rakesh Kumar 博士。

通常，每个硅原子周围都有四个硅原子。这些硅原子需要价电子层中的八个电子（八位字节规则）。但它们只有四个，因此它们与相邻原子共价共享电子以形成稳定的结构。

每个硅原子为共价键贡献一个电子，满足每个原子的八位组规则。因此，正常情况下硅中不存在自由电子和空穴，如图3所示。

图 3 硅原子共价键合示意图。来源：Rakesh Kumar 博士。

二极管中的 PN 结是通过掺杂过程产生的。掺杂是向半导体材料中添加杂质的过程，如图 4 所示，以增强其导电性。

n 型半导体材料掺杂了五价杂质，其价电子层中有五个电子。由于硅只需要四个价电子即可形成共价键，因此一个多余的电子会变成自由电子。因此，n 型半导体具有丰富的自由电子。

图 4 半导体材料中掺杂杂质导致 n 型半导体电子过剩，p 型半导体空穴过多的示意图。来源：Rakesh Kumar 博士。

另一方面，p型半导体掺杂了三价杂质，例如铝，铝的价电子层只有三个电子，缺少一个电子与硅原子形成共价键，从而产生空穴，因此p型半导体材料具有过剩的空穴（带正电的离子）。

耗尽区

p型和n型半导体材料的结称为耗尽区，如图5所示，它是光电二极管中的有源区。光电二极管的有源区必须保持透明，以便入射光可以接触到pn结。

在 pn 结中，n 型半导体中的少量电子最初被吸引到 p 型材料中的空穴，而 p 型半导体材料中的空穴又被吸引到 n 型材料中的电子。由于这一作用，在耗尽区中产生了带电离子。

当带负电的电子被添加到受体离子（p 型）时，它会增加负电荷。结果，受体离子带负电。

另一方面，供体离子（n 型）带正电荷，因为它们捐献一个带负电的电子并包含许多带正电的质子。

带负电和带正电区域的积累会产生电场。这种电位差是由于电场充当屏障而产生的，阻止了结中电子和空穴的进一步扩散。

图 5 耗尽区示意图。来源：Rakesh Kumar 博士。

反向偏压

在反向偏置模式下，p型半导体材料连接到电源的负极。相反，n型半导体材料连接到正极，如图6所示。

这会导致耗尽区变宽，因为空穴会被拉向电源的负极。电子会被拉向正极。结果，势垒变得更大。

图 6 反向偏置示意图。来源：Rakesh Kumar 博士。

正常情况下，在没有入射光的情况下，光电二极管中只有少数空穴和电子被吸引向正极和负极。

这会导致相对较小的反向偏置电流，称为“暗电流”，这是由周围环境的温度引起的。对于理想的光电探测器来说，暗电流应该尽可能小。

固体能带理论

固体能带理论是光电二极管工作原理的基础。固体能带理论是确定固体中电子状态的关键组成部分。价带和导带是固体能带理论中的两个关键能带。

价带

原子由中心的原子核和包含电子的轨道层组成。这些电子在原子核的帮助下被保留在轨道层中。

最外层电子壳层称为价电子壳层，如图 7 所示，可容纳一个或多个电子。价电子壳层中电子的能量决定了其价带能量。

图 7 价带和导带示意图。来源：Rakesh Kumar 博士。

导带

如图 7 所示，最外层壳层的导带中，电子到达这一层后可以轻松移动，从而产生电流。正常情况下，该导带通常是空的。当暴露于温度或辐射时，价壳层的电子会吸收入射光子并被该导带激发。

导带和价带之间的距离称为带隙或禁带。该带隙决定了材料的导电性，如图 8 所示。

图 8 导体、半导体和绝缘体之间的差异。来源：Rakesh Kumar 博士。

● 在铜等导体中，导带和价壳层重叠，使电子可以自由移动，从而产生电流。

● 半导体材料的带隙较低，电子受到温度或辐射时到达导带，产生电流通过。

● 对于绝缘体（例如橡胶），原子核会以更大的能量束缚住电子，其带隙更大，导致电子无法到达导带，因此不导电。

所有这些基本概念，例如通过掺杂形成 pn 结、由反向偏压带来的更大的耗尽区、以及负责激发电子导电的固体能带理论，都与光电二极管的功能有关。

总结要点

● 光电二极管通过pn结半导体材料将光转换为电能，是重要的光探测器。

● 掺杂过程引入杂质来产生p型和n型半导体，影响电子和空穴的形成。

● pn 结处的耗尽区对于光电二极管至关重要，有助于电荷分离并产生电场。

● 了解光电二极管中的反向偏置对于最小化暗电流和优化其作为光电探测器的性能至关重要。

● 能带理论展示了电子在固体中的行为，其中价带和导带起着至关重要的作用。