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。

 

光电二极管的伏安特性曲线及工作点的确定(图片来源于网络)


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。


光电二极管的伏安特性表达式可以表示为下式:


其中 i0 是无光照的反向饱和电流,V 是二极管的端电压(正向电压为正,反向电压为负),q 为电子电荷,k 为玻尔兹曼常数,T 是结温,单位为 K。IL 是无偏压状态下(V=0)光照时的短路电流,它与光照时的光功率成正比,这一特性在坐标系中的斜率 R 定义为光电二极管的响应度。