什么是光电二极管？

传感器有多种类型和应用。它们通常根据物理特性分类如下：

随着人工智能和5G时代的到来，图像识别、机器视觉和自动驾驶汽车等应用领域对光学传感的需求正在快速增长。因此，本文将重点介绍光电传感器，特别是光电二极管。

光电二极管是一种将光转换为电流的半导体p-n结器件。当光子被光电二极管吸收时会产生电流。光电二极管可能包含光学滤波器、内置透镜，且可以有大或小的表面积。

光电二极管的表面积增大时，其响应时间通常会变慢。传统用于发电的太阳能电池就是一种大面积光电二极管。

光电二极管与普通半导体二极管类似，不同之处在于它们可能是暴露的（用于检测真空紫外线或X射线）或带有窗口或光纤连接的封装，以允许光线到达器件的敏感部分。许多专门设计用作光电二极管的二极管使用PIN结而不是p-n结，以提高响应速度。光电二极管设计为在反向偏置下工作。

光电二极管的类型

参考RF Wireless World网站，光电二极管大致可分为以下四种类型，即PIN光电二极管、雪崩光电二极管、p-n光电二极管和肖特基光电二极管：

• PIN光电二极管：这种光电二极管在p型掺杂层和n型掺杂层之间有一个本征半导体层（即非掺杂层），因此被称为PIN光电二极管。它比普通的PN光电二极管更敏感，且响应更快。如今市面上的大多数光电二极管都是PIN型。如果I层材料是低掺杂P型半导体，该二极管可称为π型PIN二极管；如果I层材料是低掺杂N型半导体，该二极管可称为ν型PIN二极管。在PIN二极管中，P和N层通常由高掺杂半导体材料组成。由于I层的存在，PIN二极管通常比普通二极管具有更宽的耗尽层，更大的结电阻和更小的结电容。在射频和微波级电路中，PIN二极管常用作微波开关、移相器和衰减器。
  

PIN二极管的示意图

• 雪崩光电二极管（APD）：当光照射到雪崩光电二极管的本征部分时，会触发电子-空穴对的产生。电子向雪崩区迁移时，由于累积场强而增加其速度。结果，它们与晶格碰撞并产生更多的电子-空穴对。由于这种行为，雪崩光电二极管比PIN光电二极管更敏感。然而，更高的灵敏度使雪崩光电二极管容易受到电噪声的影响。此外，它还受热影响。为克服这些缺点，在雪崩光电二极管的p-n结周围设置保护环，并使用散热器。
  

雪崩光电二极管的示意图

• p-n光电二极管：当P型半导体和N型半导体结合形成p-n结二极管时，P型材料中的空穴和N型材料中的电子会在结面处结合。在该区域缺乏载流子，在结面附近形成耗尽区或空间电荷区，如下图所示。不要认为N型半导体中的电子会通过结继续与P型半导体的空穴结合直到所有电子和空穴消失。实际情况是，结附近的N型半导体失去一些电子成为正离子；P型半导体失去一些空穴成为负离子。这些正负离子将集中在结面附近，阻止电子和空穴的持续结合（正离子排斥空穴，负离子排斥电子），并达到平衡。在表面附近只有离子，没有载流子（电子或空穴）。

p-n光电二极管的示意图

• 肖特基光电二极管：如图所示，薄金属层取代了二极管的P区或N区。因此它被称为”金属-半导体二极管”。根据半导体和金属的不同，在这两种材料的界面处形成势垒。这种势垒导致能带弯曲。由于电压的施加，能带可以弯曲得更多或更少。在这个能带弯曲区域，电子空穴对可以很容易地被分离。

肖特基光电二极管的示意图

光电二极管如何工作？

光电二极管是将光信号转换为电信号的半导体器件。其核心部分也是一个p-n结。与普通二极管相比，结构上的区别在于为了便于接收入射光，PN结的面积应尽可能大，电极面积应尽可能小。p-n结的深度很小，一般小于1微米。

维基百科解释了光电二极管的工作原理：光电二极管是一个PIN结构或p-n结。当具有足够能量的光子击中二极管时，会产生电子-空穴对。这种机制也称为内光电效应。如果吸收发生在结的耗尽区或距离它一个扩散长度的范围内，这些载流子会被耗尽区的内建电场从结中扫出。因此空穴向阳极移动，电子向阴极移动，产生光电流。通过光电二极管的总电流是暗电流（在没有光照时产生的电流）和光电流的总和，因此必须最小化暗电流以最大化器件的灵敏度。

• 光伏模式：当偏置电压为0时，光电二极管工作在光伏模式。此时，流出光电二极管的电流被抑制，两端积累一定的电位差。
• 光电二极管模式：在此模式下工作时，光电二极管通常反向偏置，大大减少其响应时间，但噪声增加。同时，耗尽层宽度增加，从而减小结电容，这也减少了响应时间。反向偏置会产生少量电流（饱和电流），其方向与光电流相同。对于指定的光谱分布，光电流与入射光照度成线性比例。

一般来说，光电二极管的工作是一个吸收过程，将光转换为反向电流。光电流是光生电流和暗电流的总和。因此，最小化暗电流意味着提高光电二极管对光的灵敏度。光强度与光电流成正比，所以可以将光信号转换为电信号。

光电二极管的I-V特性曲线（来源：维基百科）

如何评估光电二极管的质量？通常测试哪些参数？

当光电二极管表现出高响应度、小暗电流、短响应时间、小结电容和低等效噪声功率等特性时，将被评估为优质的光电二极管。以下是这些关键性能参数的详细说明：

• 光谱响应度：响应度定义为光导模式下产生的光电流与激发照度的比值，单位为安培/瓦（A/W）。响应特性也可以用量子效率表示，如下图所示，它是照明产生的载流子数量与照明激发的光子数量的比值。

不同波长响应器件的EQE光谱

• 暗电流：暗电流是光电二极管在光导模式下无光照时的电流。暗电流包括背景辐射产生的光电流和半导体结的饱和电流。如果要使用光电二极管进行准确的光功率测量，必须通过校准考虑暗电流，它也是光电二极管用于光通信系统时的噪声源。

各种暗电流I-V曲线扫描

• 响应时间：响应时间是探测器响应光输入所需的时间。被半导体材料吸收的光子将产生电子-空穴对，这些电子-空穴对在电场作用下开始在材料中移动，从而产生电流。这个电流的有限持续时间称为迁移时间展宽，可以使用拉莫定理进行评估。也可以用这个定理证明，在外电路中产生的总电荷是e而不是2e，正如人们可能因存在两个载流子而预期的那样。实际上，电子和空穴引起的电流对时间的积分必须等于e。光电二极管和外部电路的电阻和电容会产生另一个响应时间，即RC时间常数（τ=RC）。R和C的这种组合会随时间对光响应进行积分，从而延长光电二极管的脉冲响应。当用于光通信系统时，响应时间决定了可用于信号调制和数据传输的带宽。

恒定强度脉冲光的响应时间

• 噪声等效功率（NEP）：噪声等效功率是产生光电流的最小输入光功率，等于1赫兹带宽内的均方根噪声电流。NEP本质上是最小可探测功率。相关特性探测率（D）是NEP的倒数（1/NEP），而特定探测率（D*）是探测率乘以光电探测器面积（A）的平方根（D*=DA^0.5），适用于1Hz带宽。特定探测率允许比较不同系统的性能，且与传感器面积和系统带宽无关；更高的探测率值表示低噪声器件或系统。尽管在许多产品目录中通常给出（D*）作为二极管质量的衡量标准，但在实践中，它几乎从不是关键参数。当光电二极管用于光通信系统时，所有这些参数都会影响光接收器的灵敏度，而光接收器的灵敏度是接收器达到指定比特错误率所需的最小输入功率。

不同器件的噪声等效功率

不同器件的探测率

• 线性动态范围（LDR）：LDR是评估光电器件特性的重要指标。可以从光电流和光强度的测试中获得响应度（mA/W）的变化，这是表征光电器件质量常用的参数。

LDR测量结果

• -3 dB频率响应：-3 dB表示当光源的调制频率增加时，器件响应无法跟上光源的开关变化，响应光电流相应减小。强度-3 dB被认为是光电探测器性能的指标。

光电二极管的应用

• p-n光电二极管在类似于其他光电探测器的应用中使用，如光导体、电荷耦合器件（CCD）和光电倍增管。它们可以用于产生依赖于照明的输出（用于测量的模拟信号），或改变电路状态（数字信号，用于控制和开关或数字信号处理）。
• 光电二极管用于消费电子设备，如光盘播放器、烟雾探测器、医疗设备和红外遥控设备接收器，用于控制从电视到空调的设备。对于许多应用，可以使用光电二极管或光导体。任一类型的光传感器都可用于光测量，如照相机测光表，或用于响应光照度，如在黑暗后开启街道照明。
• 所有类型的光传感器都可用于响应入射光或作为同一电路或系统一部分的光源。光电二极管通常与发光源（通常是发光二极管（LED））组合成单个组件，用于检测光束的机械障碍（槽型光开关）或耦合两个数字或模拟电路，同时保持极高的电气隔离，通常用于安全目的（光耦合器）。LED和光电二极管的组合也用于许多传感器系统，用于基于光学吸收特性表征不同类型的产品。
• 光电二极管常用于科学和工业中的准确光强度测量。它们通常比光导体具有更线性的响应。它们也广泛用于各种医疗应用，如计算机断层扫描的探测器（与闪烁体耦合）、样品分析仪器（免疫分析）和脉搏血氧仪。

此外，为了响应5G时代图像识别、机器视觉、自动驾驶汽车等需求的快速增长，光电二极管在以下两个类别中的应用非常重要：

1. 环境光感应（ALS）：为了追求更好的用户体验，所有智能手机和新型汽车都标配ALS。这使得手机屏幕和汽车仪表盘可以根据环境光感应信号自动调节亮度。无论用户是带着手机进出室内，还是驾驶时进出隧道，都能清晰地读取手机屏幕或汽车仪表盘上显示的信息。

环境光传感器（ALS）已成为现代智能手机和新型汽车数字仪表盘的标配

2. 3D感应：根据Yole Development的研究，3D感应的市场规模将从2019年到2025年达到20%的年复合增长率（CAGR）。使用带有单光子雪崩二极管阵列（SPAD Array）的直接飞行时间（dToF）技术是目前的主流解决方案。

2019~2025年3D感应市场规模预测（来源：Yole Development）

光电二极管的最新发展是什么？新型光电二极管有哪些？

目前，主要有三种新型光电二极管：OPD、QD PD和PPD，详细说明如下：

• 有机光电二极管（OPD）：

有机光电二极管器件建立在由碳基分子或聚合物组成的材料上，而不是传统的无机半导体如硅。其制造设备使用简单的溶液和喷墨打印技术，因此比制造传统电子器件的设备更便宜和简单。目前，这种技术广泛应用于显示器、太阳能电池和其他器件。

使用聚乙烯亚胺已证明由其生产的器件具有低水平的暗电流，即光电探测器可用于捕捉可见光的微弱信号。

有机光电二极管用于脉搏血氧仪，目前用于测量心律和血氧浓度。使用多个同时工作的有机光电二极管，光强度比传统器件低10倍。通过这种方式，可穿戴健康监测器可以产生更好的生理信息，且不需要频繁更换电池进行连续监测。其他应用包括非接触手势识别和人机界面控制。

有机光电二极管可以显示数十飞安范围内的电子噪声电流值，并可以显示数百飞瓦范围内的等效噪声功率值。除了响应时间外，有机光电二极管的主要性能指标与硅相当，因此许多研究人员继续努力改善其应用前景。

• 量子点光电二极管（QD PD）：

与传统半导体红外多光谱探测器相比，可溶液加工和宽光谱可调的胶体量子点（CQDs）更适合制造各种低成本和高性能光电器件。双端胶体量子点双波段探测器用于实现双波段红外成像。在这种探测器中，光电二极管仍然是关键元件。

1. 使用胶体纳米晶体Ag₂Te和Bi₂Se₃的薄层开发双端胶体量子点双波段探测器，可在界面产生空间稳定的p和n掺杂。高密度胶体量子点整流光电二极管采用中间具有小空穴隧穿势垒的n-p-n结构。选择了两种尺寸的HgTe量子点：短波红外（<2500 nm，SWIR）和中波红外（3000-5000 nm，MWIR）。
2. 能够在两个不同频带上提供可切换的光谱响应，通过改变偏置电压的极性和幅值，双频探测器可以在SWIR模式和MWIR模式之间快速切换（高达100 kHz）。实验表明，量子点光电二极管在双频红外成像和远距离温度监测方面具有优异的性能。

• 钙钛矿光电二极管（PPD）：

近年来，钙钛矿材料受到越来越多的关注。最常研究的材料是甲胺铅卤化物（MAPbX₃，X=Cl、Br和I）和其他钙钛矿结构。钙钛矿受到关注的原因是它们具有良好的光电性能且价格低廉。PPD可以在室温下生产，可以节省能量损失。

第一个评估卤化钙钛矿材料在光电二极管中应用的研究团队是UCLA的杨阳教授。在他的研究中，清楚地比较了界面层对器件性能的影响。研究中指出，在PCBM顶部添加空穴阻挡层将大大改善器件特性。比较的材料包括巴索铜(BCP)和聚[(9,9-双(3′-(N,N-二甲基氨基)丙基)-2,7-芴)-交替-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)。

荷兰埃因霍温理工大学的Gerwin H. Gelinck、荷兰应用科学研究组织的Eric A. Meulenkamp等人于2021年11月：溶液加工的金属卤化物钙钛矿光电探测器（PPD）的前面板和氧化物薄膜晶体管（TFT）背板构建了图形阵列（VGA；640×480像素）扫描仪，可以捕获全彩图像和高分辨率指纹。通过PPD前面板的优化和像素ECL的使用，在可见光谱中获得了10^-6 mA cm^-2的低暗电流密度、66%的外量子效率（EQE）和1.3×10¹² Jones的高光电探测率。研究团队使用光电探测器特性分析仪进行分析。研究结果表明，当低噪声电流与高外量子效率结合时，可以在550 nm到770 nm的波长范围内实现高光电探测。研究人员还表明，成像仪可用于文档扫描和生物识别指纹识别。此外，它可以包裹在半径小至0.6厘米的物体周围。

测量新型光电二极管面临哪些挑战？

传统量子效率系统在新型光电探测器测试中面临许多挑战。例如：

1. 偏置电压不能超过12V：传统量子效率系统使用锁相放大器，其承受直流电压不能太大。因此，在一般量子效率测试仪中，电偏置不能超过12V。
2. 无法进行噪声频率分析。
3. NEP和D*无法直接测量。

Enlitech提供新一代光电探测器（PD）的完整解决方案，名为PD-QE。PD-QE系统是Enlitech在过去十年小光斑（功率模式）基础上开发的产品。

随着5G和移动设备的兴起和普及，越来越多的新型光传感器被应用在我们的日常生活中。为了更好地应用于移动设备，这些先进光传感器的组件感光面积越来越小。然而，这些应用要求先进光传感器具有更高的性能。随着感光面积缩小的进程，也带来了准确测量量子效率的挑战。例如，不同波长的小光斑由于色散差异引起的焦点偏移可达毫米级。很难将所有光子聚焦到微米级的感光区域。因此，很难准确测量全光谱量子效率曲线。APD-QE采用独特的光束空间均匀化技术，使用ASTM标准”辐照度模式”测试方法，为各种先进探针台上的微米级光学传感器形成完整的全光谱量子效率测试解决方案。APD-QE已应用于各种先进光传感器的测试，如iPhone LiDAR及其各种光传感器、Apple Watch的血氧光传感器、TFT图像传感器、有源像素传感器（APS）、高灵敏度间接转换X射线传感器等。