光电二极管的工作原理与应用

光电二极管的工作原理与应用

学生：李阳洋王煦何雪瑞黄艺格指导老师：陈永强

摘要：光电二极管是结型器件。当光照射在P-N结时,光子被吸收,产生电子-空穴对,电子和空穴在结区被结

电场所收集,在外电路形成光电流。为了保证绝大部分响应波长的入射光能在结区吸收,这就要求空间电荷区

有足够宽度,所以外电路加有足够的反偏电压。

关键词：光电二极管;光电流;暗电流;反偏电压;光功率

1、引言

随着科学技术的过去的就让它过去 发展，在信号传输和存储等环节中，越来越多地应用光信号。采用光电子

系统的突出优点是，抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。光电二极管是

光电子系统的电子器件。光电二极管（photodiode）是一种能够将光根据使用方式转换成电流

或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池就是通过大面积的光电二极管来产生电能。

2、工作原理

光电二极管是将光信号转换成电流或电压信号的特殊二极管，它与常规二极管结构上基本

相似，都具有一个PN结，但光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便

接收入射光。其基本原理是当光照在二极管上时，被吸收的光能转换成电能。光电二极管工作

在反向电压作用下，只通过微弱的电流（一般小于0.1微安），称为暗电流，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电子，使有些电子挣脱共价键，而产生电子

-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数目是有限的，而光照前多子的数目远大于光

生载流子的数目，所以光生载流子对多子的影响是很小的，但少子的数目少有比较大的影响，

这就是为什么光电二极管是工作在反向电压下而不是正向电压下，于是在反向电压作用下被光

生载流子影响而增加的少子参加漂流运动，在P区，光生电子扩散到PN结，如果P区厚度小

于电子扩散长度，那么大部分光生电子将能穿过P区到达PN结，在N区也是相同的道理，

也因此光电二极管民主生活会存在问题 在制作时，PN结的结深很浅，以促使少子的漂移。综上若光的强度越大，

反向电流也就越大，这种特性称为光导电，而这种现象引起的电流称为光电流。总的来说光电

二极管的工作是一个吸收的过程，它将光的变化转换成反向电流的变化，光照产生电流和暗电

流的综合就是光电流，因此光电二极管的暗电流因尽量最小化来提器件对光的灵敏度，光的强

度与光电流成正比，因而就可以把光信号转换成电信号。

图1基本工作原理

3、结构

3.1光电二极管的伏安特性

光电二极管是工作在光导模式的结型光伏探测器，它工作在第三象限，此时二极管上加反

向电压，内电场增强，PN结变宽，少子的漂流运动增强，多子的扩散运动减弱，扩散电流小

于漂流电流，热平衡被打破，无光照时，光功率P=0，这时I就是PN结的反向饱和电流；当

S

有光辐射时，且入射光能量E大于半导体的禁带宽度，光子被半导体吸收，从而产生电子-空

穴对，入射光功率越大，产生的电子-空穴对越多，光生电流就越大，其伏安特性线如图2所

示。

图2光电二极管伏安特性

3.2光电二极管的外部结构（如图3所示）

图3光电二极管外部结构

3.3光电二极管的内部结构

当光照射时，光电二极管的工作原理与光电池的工作原理（如图4所示）很相似当光不照

射时，光电二极管处于截9月15日是什么星座 事情作文 止状态，只有少数载流子在反向偏压的作用下形成微小的反向电流，

即暗电流。

图4光电池的结构示意图、符号及工作电路图

3.4光电二极管的外形

在光电二极管管壳上有一个能射入光线的透明玻璃，入射光通过透镜正好照射在管芯上（如

图5所示）发光二极管是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内，发光二极管管芯的

光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜，光电二极管的管芯以及管芯上的PN

结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，

这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力，另外，与普通二极管一样，在硅片上生长了

一层二氧化硅保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。

图5光电二极管实物图

4、光电二极管的主要参数

（1）反向工作电压UR

在无光照时，光电二极管中反向电流≤0．2~0．31A时，答应的最高反向电压一般不大

于10V，最高可达50V。

（2）暗电流ID

在无光照时，加一定反向电压时的反向漏电流与暗电流。通常在50V反压下的暗电流小

于100nA。

（3）光电流IL

在受到一定光照及一定反压条件下，流过管子的电流为光电流。一般光电流为几十A，

并且与照度成线性关系。

（4）光谱响应特性

硅光电二极管的光谱范围为400～1100nm，其峰值波长为880～900nm，这与GaAs红外

发光二极管的波长相匹配，可获得较高的传输效率。

5、光电二极管的应用

5.1光电池

光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子

能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电

子-空穴勤奋好学的意思 对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。

如果这时，我们把它作为一个电源，接上外电路，只要保证有源源不断的光照，那么光电池就

会源源不断的供电，这就是光电池。换句话说光电池是一种不需要加偏压的，能直接把光能转

换成电能的PN结的光电器件，按照光电池的用途可分为太阳能光电池(图6)和测量光关于春天的古诗有哪些 电池（图

7）。

图6太阳能电池图7测量光电池

光电二第三英语怎么说 极管和光电池的主要差别：用途不同。

光电池：用于能量转化，优点是可以提高转化率。

光电二极管：用于探五颜六色的反义词 测，优点是灵敏度高、响应快、高量子效率。

特性差异：（1）响应范围要求不同。

（2）响应时间不同。

（3）工作模式不同。

表1结构差异

偏置方式掺杂浓度电阻率受光面积

光电池零偏

光电二极管反偏

（cm）（/cm）

10

1619

~100.1~0.01

10

1213

~101000

大

小

5.2太阳能电池

太阳能电池简称太阳电池，如图8所示，它是一种半导体器件，当太阳光照射到半导体上

时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成

热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以

产生电子-空穴对的形式转变为电能，所以阳光照后，太阳电池两端会产生直流电压，从而将

太阳光能直接转化为直流电流。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，特征英语 接通负载，则外电路

便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和

电流，输出功率。

5.3光伏发电照明系统

光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏

特效应。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿

命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，它分为独立发电系统和并网发电系统，与现有

的主要发电方式相比较，光伏发电系统的特点有：工作点变化较快，这是由于光伏发电系统受

光照、温度等外界环境因素的影响很大，它具有广阔的发展前景。

图8太阳能电池

（1）独立发电系统

独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要用

蓄电池来存储夜晚用电的能量。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，家庭。

（2）并网发电系统

并网太阳能光伏发电(如图9)是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电

网的补充，典型特征为不需要蓄电池。民用太阳能光伏发电多以家庭为单位，商业用途主要为

公共设施、夜景美化景观照明系统等的供电，工业用途如太阳能农场。

图9光伏发电系统

6、结束语

参考文献

[1]杨基海.模拟电子线路【M】.合肥：中国科学技术大学出版社.1999（3）

[2]欧伟民.实用模拟电子技术【M】.北京：冶金工业出版社.2001

[3]胡静.贵州科技工程职业学院报【M】.贵州.2006

[4]华成英、童诗白.模拟电子技术基础第四版【M】.高等教育出版社.2006

[5]王正清.光电探测技术【M】.北京：电子工业出版社.1994(6)