光敏二极管

定义与器件定位

光敏二极管是一种PN结型半导体光电器件，属于内光电效应中的光生伏特效应器件。其PN结置于管壳顶部并配有透镜窗口，使光线能集中照射到结区，从而高效接收光照。与普通二极管不同，光敏二极管必须使PN结能接收最大光照射，而普通二极管通常用金属壳密封以防光照。

工作原理

无光照时，光敏二极管处于反向偏置，PN结耗尽区增厚，仅有少数载流子形成的微小反向漏电流，称为暗电流，器件呈截止状态。当光照射到PN结上时，光子被半导体吸收，在结区附近激发产生光生电子-空穴对。在PN结内建电场（方向由N区指向P区）作用下，光生电子向N区漂移，光生空穴向P区漂移，形成通过PN结的反向光电流。光照强度越大，产生的光生载流子越多，光电流越大。在反向偏置下，暗电流很小；当入射光波长固定、光生载流子的收集效率稳定且未进入饱和时，光生电流与光功率近似成正比，从而实现光信号到电信号的近似线性转换。

伏安特性

在照度一定时，光电流与外加反向电压之间的关系称为伏安特性。光敏二极管在零偏压时仍有光电流输出，这是光生伏特效应的体现；随着反向偏置电压增高，光电流趋于平坦，表现出良好的恒流特性。不同照度下对应一组曲线，照度越高，曲线整体上移。

光照特性

光照特性指输出光电流与照度之间的关系。硅光敏二极管的光照特性曲线线性较好，适合用作光强检测元件。

光谱特性

光谱特性指入射光功率一定（或按辐射功率归一化）时，输出光电流随入射光波长变化的关系。硅光敏管适用于0.4~1.1μm波长范围，最灵敏响应波长为0.8~0.9μm；锗光敏管适用于0.6~1.8μm波长范围，最灵敏响应波长为1.4~1.5μm。由于锗光敏管的暗电流比硅光敏管大，可见光作光源时通常采用硅管，红外光源探测时锗管较为合适。

频率特性

频率特性指光电流随光强变化频率的关系。光敏二极管的响应时间可达10⁻⁷~10⁻⁸s（具体数值受型号、结面积、偏置、负载及响应时间定义影响），频率特性好，适用于测量快速变化的光信号。负载电阻越大，高频响应越差，因此高频应用时应尽量降低负载电阻。

温度特性

温度对光敏二极管的影响主要体现在暗电流上。暗电流随温度升高呈指数级急剧上升，而光电流随温度升高呈缓慢线性增长。因此温度对光电流影响较小，但对暗电流影响很大，实际应用中需进行温度补偿。

基本电路

光敏二极管的基本使用电路为反向偏置电路：直流电源、光敏二极管和负载（或电流表）串联，光敏二极管处于反向偏置状态。光照变化时，回路电流随之变化，在负载上产生与光强相关的电压信号。

与光敏晶体管的比较

光敏晶体管是光敏二极管与晶体管放大器一体化的结果，具有光电转换和光电流放大两个过程。主要差别为：光敏二极管光电流一般几微安到几百微安，光敏晶体管可达几毫安以上，相差十倍至百倍；光敏二极管响应时间通常在100ns以下，光敏晶体管为5~10μs（均为典型值，实际受型号、面积、偏置、负载及定义影响）；光敏二极管线性特性好，光敏晶体管线性较差。因此高频应用通常选光敏二极管，低频应用可选光敏晶体管。