什麼是光電二極體？

感測器具有廣泛的類型與應用。通常根據物理特性分類如下：

物理特性	感測器類型
光	光感測器、紫外線感測器、影像感測器
聲音	超音波感測器
電	電氣感測器
磁	磁敏感測器、磁阻感測器、磁性感測器
溫度	溫度感測器
濕度	濕度感測器
氣體	氣體檢測器
壓力	壓力感測器
運動	位移感測器、線性位移感測器、加速度感測器、碰撞感測器、震動感測器

隨著人工智慧與5G時代的來臨，在影像辨識、機器視覺和自動駕駛等應用領域中，對光學感測的需求快速增加。因此，本文將聚焦於光感測器，特別是針對光電二極體的介紹。 光電二極體是一種半導體p-n接面元件，可將光轉換成電流。當光子被光電二極體吸收時便會產生電流。光電二極體可能包含光學濾光片、內建透鏡，且可以有大面積或小面積的感測區域。 光電二極體的感測面積越大，其回應時間通常會越慢。傳統用於發電的太陽能電池就是一種大面積的光電二極體。 光電二極體與一般半導體二極體類似，但不同的是它們可能是暴露的（用於探測真空紫外線或X射線），或是包裝時帶有視窗或光纖連接，以允許光線到達元件的感測部分。許多專門設計用作光電二極體的二極體使用PIN接面而非p-n接面，以提高回應速度。光電二極體設計為在反偏壓下運作。

光電二極體的類型

根據RF Wireless World網站的資料，光電二極體大致可分為以下四種類型，分別是PIN光電二極體、雪崩光電二極體、p-n光電二極體和蕭特基光電二極體：

• PIN光電二極體：這種光電二極體類型在p型摻雜層和n型摻雜層之間有一個未摻雜的半導體層（即本質層）。因此稱為PIN光電二極體。它比一般的PN光電二極體更敏感，且回應速度更快。目前市面上大多數的光電二極體都屬於PIN型。如果I層材料是低摻雜的P型半導體，該二極體可以稱為π型PIN二極體；如果I層材料是低摻雜的N型半導體，該二極體可以稱為ν型PIN二極體。在PIN二極體中，P層和N層通常由高摻雜的半導體材料組成。由於I層的存在，PIN二極體通常比普通二極體具有更寬的耗乏層、更大的接面電阻和更小的接面電容。在射頻和微波級電路中，PIN二極體經常被用作微波開關、移相器和衰減器。

圖一、PIN二極體的示意圖

• 雪崩光電二極體(APD)：當光照射在雪崩光電二極體的未摻雜部分時，會觸發電子-電洞對的產生。電子向雪崩區域遷移時，由於累積的場強作用，其速度會增加。結果，它們與晶格碰撞並產生更多的電子-電洞對。由於這種行為，雪崩光電二極體比PIN光電二極體更敏感。然而，較高的靈敏度使雪崩光電二極體容易受到電氣雜訊的影響。此外，它也會受到熱的影響。為了克服這些缺點，在雪崩光電二極體的p-n接面周圍包覆保護環，並使用散熱片。

圖二、雪崩光電二極體的示意圖

• p-n光電二極體：當P型半導體和N型半導體結合形成p-n接面二極體時，P型材料中的電洞和N型材料中的電子會在接面表面結合。在該區域中由於缺乏載子，在接面表面附近形成耗乏區或空間電荷區，如下圖所示。不要以為N型半導體中的電子會持續通過接面與P型半導體的電洞結合，直到所有電子和電洞消失。實際情況是，接面附近的N型半導體失去一些電子而成為正離子；P型半導體失去一些電洞而成為負離子。這些正負離子會集中在接面表面附近，阻止電子和電洞繼續結合（正離子排斥電洞，負離子排斥電子），並達到平衡。表面附近只有離子，沒有載子（電子或電洞）。

圖三、p-n光電二極體的示意圖

• 蕭特基光電二極體：圖中描繪了蕭特基光電二極體。如圖所示，薄金屬層取代了二極體的P區或N區。因此它被稱為「金屬-半導體二極體」。根據半導體和金屬的不同，在這兩種材料的界面處形成一個勢壘。這個勢壘導致能帶彎曲。由於電壓的施加，能帶可以彎曲得更多或更少。在這個能帶彎曲的區域，電子-電洞對可以很容易地被分離。

圖四、蕭特基光電二極體的示意圖

光電二極體如何運作？

光電二極體是將光訊號轉換成電訊號的半導體元件。其核心部分也是一個p-n接面。與一般二極體相比，結構上的差異在於為了便於接收入射光，應盡量增大PN接面的面積，並盡量減小電極面積。p-n接面的深度很小，通常小於1微米。 維基百科對光電二極體的工作原理解釋如下：光電二極體是一種PIN結構或p-n接面。當具有足夠能量的光子撞擊二極體時，會產生電子-電洞對。這種機制也被稱為內部光電效應。如果吸收發生在接面的耗乏區或距離它一個擴散長度的範圍內，這些載子會被耗乏區的內建電場從接面處掃走。因此，電洞向陽極移動，電子向陰極移動，從而產生光電流。流過光電二極體的總電流是暗電流（在無光照條件下產生的電流）和光電流的總和，因此必須將暗電流最小化以最大化元件的靈敏度。

• 光伏模式：當偏壓為0時，光電二極體工作在光伏模式。此時，從光電二極體流出的電流被抑制，兩端會累積一定的電位差。
• 光二極體模式：在此模式下工作時，光電二極體通常處於反偏壓狀態，大大減少其響應時間，但雜訊增加。同時，耗乏層的寬度增加，從而減小了接面電容，這也減少了響應時間。反向偏壓會產生少量電流（飽和電流），其方向與光電流相同。對於特定的光譜分布，光電流與入射光照度成線性比例。

一般來說，光電二極體的工作原理是一個吸收過程，將光轉換為反向電流。光電流是光生電流和暗電流的總和。因此，最小化暗電流意味著提高光電二極體對光的靈敏度。光強度與光電流成正比，所以可以將光訊號轉換成電訊號。

圖五、光電二極體的I-V特性曲線（來源：維基百科）

如何評估光電二極體的品質？通常測試哪些參數？

當光電二極體表現出高響應度、小暗電流、短響應時間、小接面電容和低等效雜訊功率時，將被評估為優質的光電二極體。以下是這些關鍵性能參數的詳細說明：

• 光譜響應度：響應度定義為光電導模式下產生的光電流與激發照度的比值，單位為安培/瓦特（A/W）。響應特性也可以用量子效率來表示，如下圖所示，它是由照射產生的載子數量與照射激發的光子數量的比值。

圖六、不同波長響應設備的EQE光譜

• 暗電流：暗電流是指光電二極體在無光照條件下，在光電導模式下運作時通過的電流。暗電流包括背景輻射產生的光電流和半導體接面的飽和電流。如果要使用光電二極體進行準確的光功率測量，必須通過校準來考慮暗電流，而且當光電二極體用於光通訊系統時，它也是雜訊的來源。

圖七、各種暗電流I-V曲線掃描

• 響應時間：響應時間是檢測器對光學輸入做出響應所需的時間。被半導體材料吸收的光子會產生電子-電洞對，這些電子-電洞對會在電場的作用下在材料中開始移動，從而產生電流。這個電流的有限持續時間被稱為遷移時間展寬，可以使用拉莫定理進行評估。通過這個定理還可以證明，外部電路中產生的總電荷是e而不是2e，儘管人們可能會因為存在兩個載子而期望是2e。事實上，電子和電洞隨時間產生的電流積分必須等於e。光電二極體和外部電路的電阻和電容會產生另一個響應時間，稱為RC時間常數（τ=RC）。R和C的這種組合會隨時間積分光響應，從而延長光電二極體的脈衝響應。當用於光通訊系統時，響應時間決定了可用於信號調制和數據傳輸的頻寬。

圖八、恆定強度脈衝光的響應時間

• 等效雜訊功率(NEP)：等效雜訊功率是產生光電流所需的最小輸入光功率，等於1赫茲頻寬內的均方根雜訊電流。NEP本質上是最小可檢測功率。相關的特性探測率(D)是NEP的倒數(1/NEP)，而比探測率(D*)是探測率乘以光檢測器面積(A)的平方根(D*=DA^0.5)，用於1赫茲頻寬。比探測率允許不同系統在與感測器面積和系統頻寬無關的情況下進行比較；較高的探測率值表示低雜訊裝置或系統。儘管在許多產品目錄中傳統上都會給出(D*)作為二極體品質的衡量標準，但在實踐中，它很少是關鍵參數。當光電二極體用於光通訊系統時，所有這些參數都會影響光接收器的靈敏度，這是接收器達到特定位元錯誤率所需的最小輸入功率。

圖九、不同設備的等效雜訊功率

圖十、不同設備的探測率

• 線性動態範圍(LDR)：LDR是評估光電元件特性的重要指標。從光電流和光強度的測試中可以得到響應度(mA/W)的變化，這是表徵光電元件品質常用的參數。

圖十一、LDR測量結果

• -3dB頻率響應：-3dB表示當光源的調制頻率增加時，元件響應無法跟上光源的切換變化，響應光電流相應減小。強度-3dB被認為是光檢測器性能的指標。

光電二極體的應用

• p-n光電二極體被用於與其他光檢測器類似的應用中，如光導體、電荷耦合元件(CCD)和光電倍增管。它們可用於產生依賴於照度的輸出（用於測量的類比信號），或改變電路的狀態（數位信號，用於控制和切換或數位信號處理）。
• 光電二極體被用於消費電子設備，如CD播放機、煙霧探測器、醫療設備，以及用於控制從電視到空調等設備的紅外遙控接收器。對於許多應用來說，可以使用光電二極體或光導體。任一類型的光感測器都可用於光度測量，如相機的測光表，或用於對光線強度做出反應，如在黑暗後開啟街道照明。
• 所有類型的光感測器都可用於對入射光或作為同一電路或系統一部分的光源做出反應。光電二極體通常與發光源（通常是發光二極體LED）組合在一個元件中，用於檢測光束的機械阻擋（狹縫式光學開關），或用於耦合兩個數位或類比電路，同時保持極高的電氣隔離，通常是為了安全（光耦合器）。LED和光電二極體的組合也用於許多感測器系統，基於不同產品的光學吸收特性進行表徵。
• 光電二極體經常用於科學和工業中精確的光強度測量。它們通常比光導體具有更線性的響應。它們也廣泛用於各種醫療應用，如電腦斷層掃描的檢測器（與閃爍體結合使用）、分析樣本的儀器（免疫分析）和血氧計。

此外，因應5G時代影像辨識、機器視覺、自動駕駛等需求的快速興起，光電二極體在以下兩個類別的應用非常重要：

1. 環境光感測(ALS)：為了追求更好的使用者體驗，所有智慧型手機和新型汽車都將ALS列為標準配備。這使得手機面板和汽車儀表板可以根據環境光感測信號自動調整亮度。無論使用者是攜帶手機進出室內，還是開車進出隧道，都能清楚地讀取手機面板或汽車儀表板上顯示的資訊。

環境光感測器(ALS)已成為現代智慧型手機和新型汽車數位儀表板的標準配備

2. 3D感測：根據Yole Development的研究，3D感測的市場規模將從2019年到2025年達到20%的年複合成長率(CAGR)。使用單光子雪崩二極體陣列(SPAD Array)的直接飛行時間(dToF)技術是目前的主流解決方案。

圖十二、2019~2025年3D感測市場規模預估（來源：Yole Development）

光電二極體的最新發展為何？有哪些新型光電二極體？

目前主要有三種新型光電二極體：OPD、QD PD與PPD，詳細說明如下：

• 有機光電二極體(OPD)：

有機光電二極體裝置是建立在由碳基分子或聚合物組成的材料上，而不是傳統的無機半導體如矽。其製造設施使用簡單的溶液和噴墨列印技術，因此比製造傳統電子裝置的設備更便宜和簡單。目前，這種技術廣泛應用於顯示器、太陽能電池和其他裝置。 聚乙烯亞胺的應用已經證明，它所生產的裝置具有較低水平的暗電流，也就是說，光檢測器可以用於捕捉可見光的微弱信號。 有機光電二極體被用於脈搏血氧計中，現在用於測量心律和血氧濃度。使用多個同時工作的有機光電二極體，光強度比傳統裝置低10倍。通過這種方式，可穿戴健康監測器可以產生更好的生理資訊，並且不需要頻繁更換電池就能持續監測。其他應用包括非接觸式手勢識別和人機界面控制。 有機光電二極體可以顯示幾十飛安範圍內的電子雜訊電流值，並且可以顯示幾百飛瓦範圍內的等效雜訊功率值。除了響應時間外，有機光電二極體的主要性能指標與矽相當，因此許多研究人員繼續致力於改善其應用前景。

• 量子點光電二極體(QD PD)：

與傳統半導體紅外多光譜檢測器相比，可溶液加工和寬光譜可調的膠體量子點(CQDs)更適合製造各種低成本和高性能的光電裝置。雙端膠體量子點雙頻段檢測器被用來實現雙頻段紅外成像。在此檢測器中，光電二極體仍然是關鍵元件。

1. 使用Ag₂Te和Bi₂Se₃膠體奈米晶體的薄層來開發雙端膠體量子點雙頻段檢測器，可以在界面產生空間穩定的p型和n型摻雜。高密度膠體量子點整流光電二極體採用n-p-n結構，中間具有小的電洞隧穿勢壘。選擇了兩種尺寸的HgTe量子點：短波紅外（<2500 nm，SWIR）和中波紅外（3000-5000 nm，MWIR）。
2. 能夠在兩個不同頻寬上提供可切換的光譜響應，通過改變偏壓的極性和幅度，雙頻率檢測器可以在SWIR模式和MWIR模式之間快速切換（高達100 kHz）。實驗表明，量子點光電二極體在雙頻率紅外成像和遠距離溫度監測方面具有優異的性能。

• 鈣鈦礦光電二極體(PPD)：

近年來，鈣鈦礦材料吸引了越來越多的關注。最常研究的材料是甲胺鉛鹵化物（MAPbX₃，X=Cl, Br和I）和其他鈣鈦礦結構。鈣鈦礦之所以受到關注，是因為它們具有良好的光電特性且價格便宜。PPD可以在室溫下生產，並可以節省能量損失。 第一個評估鹵化物鈣鈦礦材料在光電二極體中應用的研究團隊是UCLA的楊陽教授。在他的研究中，明確比較了界面層對元件性能的影響。研究中指出，在PCBM上方添加空穴阻擋層將大大改善元件特性。比較的材料包括巴索銅靈(BCP)和聚[(9,9-雙(3′-(N,N-二甲氨基)丙基)-2,7-芴)-交替-2,7-(9,9-二辛基芴)](PFN)。 荷蘭愛因荷芬理工大學的Gerwin H. Gelinck、荷蘭應用科學研究組織的Eric A. Meulenkamp等人於2021年11月：溶液加工金屬鹵化物鈣鈦礦光檢測器（PPD）的前面板和氧化物薄膜電晶體（TFT）背面板構建了圖形陣列（VGA；640×480像素）掃描器，可以捕捉全彩圖像和高解析度指紋。通過PPD前面板的優化和像素ECL的使用，在可見光譜中獲得了10^-6 mA cm^-2的低暗電流密度，66%的外部量子效率（EQE）和1.3×10¹² Jones的高光檢測率。研究團隊使用光檢測器特性分析儀進行分析。研究結果顯示，當低雜訊電流與高外部量子效率結合時，可以在550 nm到770 nm的波長範圍內實現高光檢測。研究人員還表明，成像器可用於文件掃描和生物特徵指紋識別。此外，它可以包覆在半徑小至0.6 cm的物體周圍。

測量新型光電二極體面臨哪些挑戰？

傳統量子效率系統在新型光檢測器測試方面面臨許多挑戰。例如：

1. 偏壓電壓不能超過12V：傳統量子效率系統使用鎖相放大器，其承受直流電壓不能太大。因此，在一般量子效率測試儀中，電偏壓不能超過12V。
2. 無法進行雜訊頻率分析。
3. 無法直接測量NEP和D*。

Enlitech為新世代光檢測器（PD）提供完整解決方案，名為PD-QE。PD-QE系統是Enlitech在過去十年的小光點（功率模式）的基礎上開發的產品。 隨著5G和行動裝置的興起和普及，越來越多新型光感測器被應用於我們的日常生活中。為了更好地應用於行動裝置，這些先進光感測器元件的光敏面積越來越小。然而，這些應用需要先進光感測器具有更高的性能。隨著光敏面積縮小的過程，也帶來了準確測量量子效率的挑戰。例如，不同波長的小光點由於色散差異造成的焦點偏移可達毫米級。很難將所有光子聚焦到微米級的光敏面積上。因此，很難準確測量完整光譜的量子效率曲線。APD-QE採用專屬光束空間均勻化技術，並使用ASTM標準的「照度模式」測試方法，為各種先進探針台上的微米級光感測器形成完整的全光譜量子效率測試解決方案。APD-QE已被用於各種先進光感測器的測試，如iPhone LiDAR及其各種光感測器、Apple Watch血氧光感測器、TFT影像感測器、有源像素感測器（APS）、高靈敏度間接轉換X射線感測器等。