光电二极管的基本工作原理介绍

光电二极管（Photodiode）通常由一个 pn 结构成，它在某些特定入射光的照射下会产生额外的光生电流，其伏安特性如图 2-94所示。在反向偏置下，无光照时电流较小，这个电流在反向击穿前基本保持一定，被称为反向饱和电流。在一定强度的光照射下，半导体材料中产生出相应数目的电子-空穴对。

由于产生的电子-空穴对仍处在半导体内部，因此被称为内光电效应。在电场作用下，pn结耗尽区的光生电子-空穴对迅速向相反方向漂移，以而形成光生电流。耗尽区附近一个扩散长度内的光生电子-空穴对经过扩散运动进入耗尽区，并在电场下向相反方向漂移产生光生电流。

在耗尽区较远的地方由于不存在电场，故那里所产生的电子-空穴对不能形成电流，一般通过复合消失。光的照度越大，即光子数越多，产生的电子-空穴对数就越多，形成的反向电流也就越大。

在制造工艺方面，为了提高吸收效率，pn 结面积宜大一些。由于表面的吸收最强烈，pn 结的位置越靠近表面越好。为了得到偏置电压低和暗电流小的光电二极管，低缺陷的高质量半导体材料是必需的。因此，半导体层外延生长技术的快速发展在光电二极管探测器性能提高和优化上起到了重要的作用。

光电二极管器件由于具有小尺寸、低成本、良好线性度、较宽响应光谱范围（190~1100nm)、低噪声、高可靠、长寿命和无须高压电源即可工作等优点，在光通信、照相、录像和光电探测等领域扮演了很重要的角色。不过，pn 光电二极管在光电探测的过程中存在灵敏度小、可探测度不够高和响应速度不够快等问题。PiN 光电二极管的出现很好地解决了这个问题。

在光电探测方面，光电二极管在紫外辐射探测、可见光探测、红外探测及X射线成像等领域都有较广泛的应用和商业价值。不同的光吸收材料适用于相应光谱波段的检测，这个取决于其禁带宽度。高质量的锗单晶材料由于具有较高的灵敏度，被广泛应用于近红外探测领域。这种探测器一般需要冷却到 77K 来减小暗电流，这增加了工艺成本并且限制了它的应用。随着在硅衬底上生长锗技术的不断发展，锗光电二极管的工艺成本大大降低，同时拓宽了它在光通信方面的应用。

光电二极管具有良好的线性度，因此市面上最常用的光功率计一般由光电二极管构成，可以对较大范围波段的光进行探测。在对紫外线进行探测时，若采用窄禁带半导体光电二极管，则需要用滤波器屏蔽其对可见光的响应，同时需要进行冷却以降低暗电流；若采用宽禁带半导体光电二极管，则不存在上述问题，但需要合适的衬底和先进的外延生长技术。

在医用X射线成像技术中，可以利用光电二极管直接或间接探测 X 射线。间接探测情况下，通常先通过一层较厚的闪烁体材料吸收X射线并发射出相应波长的可见光或紫外线，然后再由光电二极管器件进行光电转换。

审核编辑：刘清