光電二極管，是一種在很多光學(xué)測(cè)量中都很常用的傳感器類(lèi)型。諸如吸收和發(fā)射光譜、色彩測(cè)量、渾濁度、氣體探測(cè)等應(yīng)用都十分依賴(lài)于光電二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)精密光學(xué)測(cè)量。

光電傳感穩(wěn)步發(fā)展，光電二極管規(guī)模繼續(xù)增長(zhǎng)

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展將智能化帶入了各個(gè)領(lǐng)域，智能工業(yè)、智能交通、智能電網(wǎng)、智能可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域讓光電傳感器獲得了不小的機(jī)遇。不管是自動(dòng)控制、信息傳感還是射頻等技術(shù)，都需要光電傳感器作為基礎(chǔ)器件。

根據(jù)共研網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)光電傳感器產(chǎn)量和需求量分別為67.7億只和111.4億只，2022年中國(guó)光電傳感器產(chǎn)量和需求量預(yù)期分別達(dá)到80.2億只和130.9億只，2022年國(guó)內(nèi)光電傳感器市場(chǎng)規(guī)模也將突破600億元。

作為光電傳感器重要細(xì)分類(lèi)別的一類(lèi)產(chǎn)品，光電二極管傳感市場(chǎng)規(guī)模在近幾年也呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。根據(jù)貝哲斯測(cè)算數(shù)據(jù)，2021年全球光電二極管市場(chǎng)總規(guī)模達(dá)到43.09億元，中國(guó)光電二極管市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到13.11億元，占全球光電二極管市場(chǎng)總份額的30.42%。未來(lái)幾年光電二極管將以7.14%的復(fù)合年增長(zhǎng)率穩(wěn)步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在2027年全球光電二極管市場(chǎng)總規(guī)模將會(huì)達(dá)到65.26億元。

光電二極管的工作原理

光電二極管是pn結(jié)或PIN配置。 如果光子撞擊二極管，它將產(chǎn)生電子和帶正電的空穴。 當(dāng)在結(jié)的耗盡區(qū)發(fā)生任何吸收時(shí)，這些載流子已從該耗盡區(qū)的內(nèi)置區(qū)域捕獲在結(jié)中，從而產(chǎn)生了光電流。

光電二極管在反偏壓下或無(wú)偏壓下被廣泛使用。 光或光子可以驅(qū)動(dòng)電流流過(guò)該電路，從而產(chǎn)生正向偏置，從而導(dǎo)致從反方向到光電流的“暗電流”。 這被稱(chēng)為自然效應(yīng)，可以作為太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 太陽(yáng)能電池板只是多個(gè)有效光電二極管的組合。

反向偏置會(huì)沿完全相同的方向產(chǎn)生較小的電流。 除此之外，光電二極管的噪聲較小。

雪崩光電二極管具有類(lèi)似的預(yù)先布置，但通常在更大的反向偏置下運(yùn)行。 這樣一來(lái)，每個(gè)由光產(chǎn)生的提供者就可以與雪崩擊穿次數(shù)相乘，從而導(dǎo)致光電二極管的內(nèi)部效應(yīng)，并提高器件的整體響應(yīng)度。

光電二極管的材料

1、硅2、鍺3、硫化鉛

用于構(gòu)造光電二極管的材料對(duì)于描述其性能非常重要，因?yàn)橹挥芯哂羞m當(dāng)能量的光子才能激發(fā)帶隙中的電子，并能夠產(chǎn)生大量的光電流。

重要的是要記住，基于硅的光電二極管具有更大的帶隙，因此，與基于鍺的光電二極管相比，它能夠產(chǎn)生更少的噪聲。

由于晶體管和IC也是由半導(dǎo)體材料制成的，并且包含pn結(jié)，因此可以像光電二極管一樣工作。 這是不可接受的，必須使用不透明的外殼才能消除這種影響。 盡管這些對(duì)于高能輻射并不是完全不透明的，但仍可能導(dǎo)致IC因感應(yīng)的光電流而發(fā)生故障。

光電二極管電路設(shè)計(jì)的影響

選擇合適材料的光電二極管后，需要在電路設(shè)計(jì)中與其他元件配合以便將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。光電二極管電路主要以三種模式工作，光伏模式、光電導(dǎo)模式以及雪崩二極管模式。

光伏模式產(chǎn)生的電壓將具有非常小的動(dòng)態(tài)范圍，并且具有非線性特性。光電二極管在這種模式下工作其伏安特性隨溫度的變化非常小，是精密應(yīng)用中比較常見(jiàn)的配置。這種模式不經(jīng)過(guò)軟件校準(zhǔn)和交流耦合很容易產(chǎn)生很多暗電流，需要在運(yùn)算放大器的選擇上重點(diǎn)考量輸入失調(diào)電壓范圍。另一方面，除了材料選擇會(huì)影響噪聲水平，放大器的噪聲也會(huì)影響整個(gè)電路噪聲，光電二極管放大器增益越大對(duì)噪聲的抑制越有效。

光電導(dǎo)模式可以大大縮短光電二極管的響應(yīng)時(shí)間并減少結(jié)電容，達(dá)到極快的速度，但是這種工作模式的噪聲也會(huì)大很多。雪崩二極管模式下的光電二極管在高反向偏置條件下工作，這種工作模式光電二極管有極大的內(nèi)部增益，能夠在反向偏壓下提供數(shù)十至數(shù)百倍的信號(hào)。

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