光电二极管（Photo-Diode）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。

光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

频率响应特性

光电二极管的频率特性响应主要由3个因素决定：

a.光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；

b.光生载流子在耗尽层内的漂移时间；

c.负载电阻与并联电容所决定的电路时间常数。

种类

PN型

特性：优点是暗电流小，一般情况下，响应速度较低。

用途：照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。

PIN型

特性：缺点是暗电流大，因结容量低，故可获得快速响应。

用途：高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真。

发射键型

特性：使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体

用途：主要用于紫外线等短波光的检测

雪崩型

特性：响应速度非常快，因具有倍速作用，故可检测微弱光。

用途：高速光通信、高速光检测

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0.1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。

性能参数

光电二极管的一些关键性能参数包括以下几项。

响应率

一个硅光电二极管的响应特性与突发光照波长的关系响应率（responsivity）定义为光电导模式下产生的光电流与突发光照的比例，单位为安培/瓦特（A/W）。响应特性也可以表达为量子效率（Quantum efficiency），即光照产生的载流子数量与突发光照光子数的比例。

暗电流

在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。暗电流必须预先测量，特别是当光电二极管被用作精密的光功率测量时，暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。

等效噪声功率

等效噪声功率（英语：Noise-equivalent power,

NEP）是指能够产生光电流所需的最小光功率，与1赫兹时的噪声功率均方根值相等。与此相关的一个特性被称作是探测能力（detectivity,

D），它等于等效噪声功率的倒数。等效噪声功率大约等于光电二极管的最小可探测输入功率。

当光电二极管被用在光通信系统中时，这些参数直接决定了光接收器的灵敏度，即获得指定比特误码率（bit error rate）的最小输入功率。

光电二极管教程

工作原理

结光电二极管是一种基本器件，其功能类似于一个普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，它会产生光电流。光电二极管是一种快速，高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，可应用于各种不同的场合。

根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观了解光电二极管的主要性质，更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。

图1: 光电二极管模型

光电二极管相关术语

响应度

光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(IPD)和入射光功率(P)之比：

工作模式(光导模式和光伏模式)

光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。

光导模式

处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。

电路中测得的电流代表器件接受到的光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。

外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应度趋向直线。

工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。 (注: 我们的DET器件都是反向偏置的，不能工作在正向偏压下。)

光伏模式

光伏模式下，光电二极管是零偏置的。器件的电流流动被限制，形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应，它是太阳能电池的基础。当工作在光伏模式时，暗电流最小。

暗电流

暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流.

工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C,

分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电容, 但也会增加当前暗电流的大小。

当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下表给出了几种光电二极管材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格。

MaterialDark CurrentSpeedSpectral RangeCost

Silicon (Si)LowHigh SpeedVisible to NIRLow

Germanium (Ge)HighLow SpeedNIRLow

Gallium Phosphide (GaP)LowHigh SpeedUV to VisibleModerate

Indium Gallium Arsenide (InGaAs)LowHigh SpeedNIRModerate

Indium Arsenide Antimonide (InAsSb)HighLow SpeedNIR to MIRHigh

Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs)HighHigh SpeedNIRHigh

Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe)HighLow SpeedNIR to MIRHigh

结电容

结电容（Cj）是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结电容，增大响应速度。

带宽和响应

负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应，一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆的同轴电缆。带宽（fBW）和上升时间响应（tr）可以近似用结电容（Cj）和负载电阻（Rload）表示：

噪声等效功率

噪声等效功率(NEP)是信噪比等于1时产生的RMS信号电压。它是非常有用的参数，因为NEP决定了探测器探测弱光的能力。一般而言，NEP随着探测器的有效区域而增大，且可以用下式表示：

在这里，S/N是信噪比，Δf是噪声带宽，入射能量的单位是W/cm2。更多关于NEP的信息请看Thorlabs的噪声等效功率白皮书。

终端电阻

使用负载电阻将光电流转换为电压（VOUT）以便在示波器上显示：

根据光电二极管的类型，负载电阻影响其响应速度。为达到最大带宽，我们建议在同轴电缆的另一端使用50欧姆的终端电阻。其与电缆的本征阻抗相匹配，将会最小化谐振。如果带宽不重要，您可以增大负载电阻（Rload），从而增大给定光功率下的光电压。终端不匹配时，电缆的长度对响应影响很大，所以我们建议使电缆越短越好。

分流电阻

分流电阻代表零偏压下光电二极管的结电阻。理想的光电二极管分流电阻无限大，但实际值可能从十欧姆到几千兆欧不等，与其材料有关。例如，InGaAs探测器分流电阻在10兆欧姆量级，而Ge探测器的分流电阻在千欧量级。这会显著影响光电二极管的噪声电流。然而，在大部分应用中，大电阻几乎不产生效应，因而可以忽略。

串联电阻

串联电阻是半导体材料的电阻，这个小电阻通常可以忽略。串联电阻来自于光电二极管的触点和线接头，通常用来确定二极管在零偏压下的线性度。

通用工作电路