论文部分内容阅读
摘 要：光电二极管作为我国电子工程的关键组成原件，具有光伏探测性能，其工作原理较为复杂，操作应用极具严谨性，因此本文基于光电二极管的详细工作原理，介绍了其主要结构组成、功能应用和测试系统，并从光谱、频率和噪声三个方向分析了光电二极管的特征，同时简要概述了其他结构类型的光电二极管，希望能对相关工作者提供可参考性的建议.
关键词：光电二极管；光伏；伏安；应用
一、光电二极管的工作原理
光电二极管的工作原理可以理解为当光线照射于半导体时，如果出现入射光子能量低于半导体禁带宽度的情况，半导体也会因为光透射穿过物质而形成透明伏，若大于禁带宽度半导体会吸收光子能量，电子和光子流产生相互作用而引发电学效应，也被称作为光子效应。PN结光电二极管原理为O型和N型半导体发生接触作用，也被称为势垒区，其中N区向P区产生的空间电场被称为内建电场，当PN 结处于热平衡状态下时，因为浓度梯度产生的扩散电流和因为内电厂产生的漂移电流抵消为零，PN 结没有电流通过，这时辐射到半导体上的光子将会被吸收，光子强度也会随这深入半导体的过程而逐渐降低，其中吸收系数会随着入射光能的增加而增大，PN结半导体表面的薄层光能很快会被完全吸收。
电子空穴对的形成是因为光辐射在半导体内触发光子流和价电子的作用效果，价带中由电子产生空穴，并受到光强度的影响，因为光子强度在逐渐降低，所以空穴对的产生效率也呈下降趋势。由此可见光辐射强度会直接影响到光电二极管内部的扩散效应和载流子剩余数目，其中载流子会对多子和少子的这平衡浓度产生影响，目前在该原理中应用较为广泛的器件主要有光电池和光电二极管，其中光电池主要原理是利用光生伏特效应而生成无偏压光电器，光电二极管是因为反向偏压原理形成的光伏器，光电二极管在低频率和微弱信号的探测工作中具有重要的应用价值，光电二极管可以理解为和恒流电源和普通二极管的并联作用。
光电二极管的工作模式在结型光伏探测器模式的第三象限，在此象限中二极管会因为反偏电压和高强度内电场的原因导致PN 结增宽，同时多子运动效果降低，少子漂移效果增强，这样一来漂移电流远远大于扩散电流而破坏了热平衡，但因为少子数量较低，在无光照时会产生暗电流，形成一条具有普通二极管特征的曲线，一旦有光辐射发生，光子别回在入射光能量大于半导体禁带宽度时半导体所吸收，进一步形成空穴对，外界光照强度越高，空穴对电子量也随之增高。同时如果入射光的功率在不断增加，特征曲线便会成下降趋势，下移程度也会随光照强度的增加而扩大，并产生更多的反向电流，其中光功率和光生电流成正相关趋势，空穴电子量会因为光功率的提升而增多，此时光生电流也会随之增大，不受外加电压影响。
二、光电二极管的特性
（一）光电二极管的光谱特性
光子能量只有在超过禁带宽度的范围才能引发光电二极管的响应，同时不同的光电二极管材质也具有不同的响应度，每一种光电二极管都有其特定的探测元件和响应峰值，当光子能量稍微高出禁带宽度范围时，响应峰值会逐渐降低，同理如果稍微低于禁带宽度时也会逐步下降，其中只有入射光的短波值达到峰值长度时，响应度才会呈上升趋势。此外，光电二极管中入射光为形成光电流必须当载流子进入结区后才可以实现，如果想提高量子效率必须保证入射光在 PN 结势垒区范围内。
（二）光电二极管的频率响应特性
光电二极管的频率响应会受到PN结势垒电容的影响，其中载流子穿越时间与RC时间常数是主要影响因子。其中穿越时间指载流子到达漂移过势垒区或者扩散于结区时的总时长，因为扩散速度远远低于漂移速度，此时光电二极管的频率响应便会受到制约，一般光电二极管的频率响应能力在需要应用时则会选择耗尽层型，而不是扩散型。其中电容和负载电阻是影响RC时间常数的主要因素，实际需要尽可能减少电容量和结面积，同时需要增加反偏电压和耗尽层厚度，这样一来便可以充分提高频率响应能力。
（三）光电二极管的噪声特性
光电二极管在正常运行和工作时，信号光和背景光会作为光辐射同时被吸收，信号光存在量子噪声，反偏PN结也同样存在暗电流，这样一来别给光电二极管带来散粒和热噪声。
三、其他结构类型的光电二极管
（一）PIN 型光电二极管
PIN型光电二极管指将高电阻率I层本征半导体夹于P 型和 N 型半导体两者中间，耗尽层会在反偏效应时于I半导体展开，达到扩展光电转换工作区域的作用。相比于普通光电二极管，PIN型更有利于在高频环境下发生响应，具备更高效率的电压击穿能力，目前已经广泛的应用于光通信、光度测量等工作方向。此外，PIN型四象限光电二极管可以实现对运动物体的实时定位跟踪和指导作用。
（二）雪崩光电二极管
雪崩光电二极管是基于PN结光电二极管和PIN型光电二极管，对两者给予高强度反偏电压，进而触发雪崩式电离碰撞效果，同时产生空穴对电子量，此过程可达到102～104的电流变化量。雪崩光电二极管具有高灵敏度、低电容量和高响应速度的优势，已经广泛的在高频探测仪、低强度近红外辐射实现应用，同时可以在微波频率实现响应调制。
（三）肖特基势垒光电二极管
肖特基势垒光电二极管可以理解为不具备PN结的器件，构成势垒和耗尽层的主要原理是金属与半导体发生接触，其中光电效应等同于PN结势垒。肖特基势垒光电二极管可以通过采用不同的半导体和金属材料而形成多种结构，因为并不是所有半导体材料都可以形成PN 结，因此肖特基势垒光电二极管便有了更高的应用价值。除此之外，金属氧化物光电二极管、光电三极管等也是目前广为应用的电子光伏探测器。
四、结语与展望
综上所述，光电二极管的工作原理设计和结构组成以及功能系统是其工作是其应用的主要技术方向，如何实现光电二极管的规范性设计、科学化调试和运行是未来电子工程行业需要关注的重点与难点，目前基于光电二极管的具体应用特性和其他结构类型，能够实现准确的测试和运行结果，未来需要积极利用计算机信息技术和管理系统实现光电二极管的进一步发展。
参考文献：
[1]胡静.光电二极管的工作原理及应用特性分析 [J].技术与市场， 2016（12）：40-41，共2页.
[2]张际青.雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析[D].南京理工大学， 2007.
[3]彭孝东，周金运，廖常俊， et al. 雪崩抑制技术在SPADs中的应用[J].光子技术， 2004（2）：66-70.
[4]吴石明.硅光电二极管的特性分析与参数测量[J].实验技术与管理， 1987（1）：33-38.
[5]谢海情.SOI基透明电极压控横向PIN光电二极管的研究[D].湖南大学， 2011.
[6]靳浩.空间辐射对CMOS像感器性能影响的研究[D].哈尔滨工业大学.
[7]李渊清.抗辐射数字像素CMOS图像传感器研究[D].
[8]劉振旺.TDI-CMOS成像系统研究及FPN校正方法设计[D].
关键词：光电二极管；光伏；伏安；应用
一、光电二极管的工作原理
光电二极管的工作原理可以理解为当光线照射于半导体时，如果出现入射光子能量低于半导体禁带宽度的情况，半导体也会因为光透射穿过物质而形成透明伏，若大于禁带宽度半导体会吸收光子能量，电子和光子流产生相互作用而引发电学效应，也被称作为光子效应。PN结光电二极管原理为O型和N型半导体发生接触作用，也被称为势垒区，其中N区向P区产生的空间电场被称为内建电场，当PN 结处于热平衡状态下时，因为浓度梯度产生的扩散电流和因为内电厂产生的漂移电流抵消为零，PN 结没有电流通过，这时辐射到半导体上的光子将会被吸收，光子强度也会随这深入半导体的过程而逐渐降低，其中吸收系数会随着入射光能的增加而增大，PN结半导体表面的薄层光能很快会被完全吸收。
电子空穴对的形成是因为光辐射在半导体内触发光子流和价电子的作用效果，价带中由电子产生空穴，并受到光强度的影响，因为光子强度在逐渐降低，所以空穴对的产生效率也呈下降趋势。由此可见光辐射强度会直接影响到光电二极管内部的扩散效应和载流子剩余数目，其中载流子会对多子和少子的这平衡浓度产生影响，目前在该原理中应用较为广泛的器件主要有光电池和光电二极管，其中光电池主要原理是利用光生伏特效应而生成无偏压光电器，光电二极管是因为反向偏压原理形成的光伏器，光电二极管在低频率和微弱信号的探测工作中具有重要的应用价值，光电二极管可以理解为和恒流电源和普通二极管的并联作用。
光电二极管的工作模式在结型光伏探测器模式的第三象限，在此象限中二极管会因为反偏电压和高强度内电场的原因导致PN 结增宽，同时多子运动效果降低，少子漂移效果增强，这样一来漂移电流远远大于扩散电流而破坏了热平衡，但因为少子数量较低，在无光照时会产生暗电流，形成一条具有普通二极管特征的曲线，一旦有光辐射发生，光子别回在入射光能量大于半导体禁带宽度时半导体所吸收，进一步形成空穴对，外界光照强度越高，空穴对电子量也随之增高。同时如果入射光的功率在不断增加，特征曲线便会成下降趋势，下移程度也会随光照强度的增加而扩大，并产生更多的反向电流，其中光功率和光生电流成正相关趋势，空穴电子量会因为光功率的提升而增多，此时光生电流也会随之增大，不受外加电压影响。
二、光电二极管的特性
（一）光电二极管的光谱特性
光子能量只有在超过禁带宽度的范围才能引发光电二极管的响应，同时不同的光电二极管材质也具有不同的响应度，每一种光电二极管都有其特定的探测元件和响应峰值，当光子能量稍微高出禁带宽度范围时，响应峰值会逐渐降低，同理如果稍微低于禁带宽度时也会逐步下降，其中只有入射光的短波值达到峰值长度时，响应度才会呈上升趋势。此外，光电二极管中入射光为形成光电流必须当载流子进入结区后才可以实现，如果想提高量子效率必须保证入射光在 PN 结势垒区范围内。
（二）光电二极管的频率响应特性
光电二极管的频率响应会受到PN结势垒电容的影响，其中载流子穿越时间与RC时间常数是主要影响因子。其中穿越时间指载流子到达漂移过势垒区或者扩散于结区时的总时长，因为扩散速度远远低于漂移速度，此时光电二极管的频率响应便会受到制约，一般光电二极管的频率响应能力在需要应用时则会选择耗尽层型，而不是扩散型。其中电容和负载电阻是影响RC时间常数的主要因素，实际需要尽可能减少电容量和结面积，同时需要增加反偏电压和耗尽层厚度，这样一来便可以充分提高频率响应能力。
（三）光电二极管的噪声特性
光电二极管在正常运行和工作时，信号光和背景光会作为光辐射同时被吸收，信号光存在量子噪声，反偏PN结也同样存在暗电流，这样一来别给光电二极管带来散粒和热噪声。
三、其他结构类型的光电二极管
（一）PIN 型光电二极管
PIN型光电二极管指将高电阻率I层本征半导体夹于P 型和 N 型半导体两者中间，耗尽层会在反偏效应时于I半导体展开，达到扩展光电转换工作区域的作用。相比于普通光电二极管，PIN型更有利于在高频环境下发生响应，具备更高效率的电压击穿能力，目前已经广泛的应用于光通信、光度测量等工作方向。此外，PIN型四象限光电二极管可以实现对运动物体的实时定位跟踪和指导作用。
（二）雪崩光电二极管
雪崩光电二极管是基于PN结光电二极管和PIN型光电二极管，对两者给予高强度反偏电压，进而触发雪崩式电离碰撞效果，同时产生空穴对电子量，此过程可达到102～104的电流变化量。雪崩光电二极管具有高灵敏度、低电容量和高响应速度的优势，已经广泛的在高频探测仪、低强度近红外辐射实现应用，同时可以在微波频率实现响应调制。
（三）肖特基势垒光电二极管
肖特基势垒光电二极管可以理解为不具备PN结的器件，构成势垒和耗尽层的主要原理是金属与半导体发生接触，其中光电效应等同于PN结势垒。肖特基势垒光电二极管可以通过采用不同的半导体和金属材料而形成多种结构，因为并不是所有半导体材料都可以形成PN 结，因此肖特基势垒光电二极管便有了更高的应用价值。除此之外，金属氧化物光电二极管、光电三极管等也是目前广为应用的电子光伏探测器。
四、结语与展望
综上所述，光电二极管的工作原理设计和结构组成以及功能系统是其工作是其应用的主要技术方向，如何实现光电二极管的规范性设计、科学化调试和运行是未来电子工程行业需要关注的重点与难点，目前基于光电二极管的具体应用特性和其他结构类型，能够实现准确的测试和运行结果，未来需要积极利用计算机信息技术和管理系统实现光电二极管的进一步发展。
参考文献：
[1]胡静.光电二极管的工作原理及应用特性分析 [J].技术与市场， 2016（12）：40-41，共2页.
[2]张际青.雪崩型光电二极管阵列器件的设计与分析[D].南京理工大学， 2007.
[3]彭孝东，周金运，廖常俊， et al. 雪崩抑制技术在SPADs中的应用[J].光子技术， 2004（2）：66-70.
[4]吴石明.硅光电二极管的特性分析与参数测量[J].实验技术与管理， 1987（1）：33-38.
[5]谢海情.SOI基透明电极压控横向PIN光电二极管的研究[D].湖南大学， 2011.
[6]靳浩.空间辐射对CMOS像感器性能影响的研究[D].哈尔滨工业大学.
[7]李渊清.抗辐射数字像素CMOS图像传感器研究[D].
[8]劉振旺.TDI-CMOS成像系统研究及FPN校正方法设计[D].