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光电二极管传感器物理
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光电二极管传感器物理 典型的硅光电二极管器件结构。 图1:典型的硅光电二极管器件结构。 光电二极管光学传感器 光电二极管传感器由半导体p-n结(如激光二极管和led)组成,用激光二极管和led物理学描述。光落在结上导致电子-空穴对的形成。在光伏模式下,即没有施加偏压,电子-空穴对迁移到结的相对侧,从而产生电压(和电流,如果设备连接在电路中)。然而,大多数光电二极管是在光导模式下工作的,在这种模式下,反向偏压被施加在结上。在这种模式下操作有几个显著的优点。反向偏压会增加耗尽区的宽度,从而导致更大的感光区,从而允许更多的光收集。此外,偏压在结中产生一个强场,快速扫过载流子,使其不太可能发生复合。这确保了光子的大量子产额或有效转换为电荷载流子。在响应时间方面也有优势(见光接收器物理)。在反向偏压光电二极管中,偏压和电荷载流子产生的电流在很大的动态范围内与入射光强度成正比。 半导体光子源和光子探测器之间的一个关键区别是前者需要使用直接间隙半导体,而后者可以使用间接间隙半导体。虽然对能量和动量守恒的同时要求使得间接隙半导体中光子发射的可能性大大降低,但吸收的情况并非如此。一个容易实现的两步过程发生在电子被激发到导带中的高水平,然后是一个弛豫过程,其动量被转移到声子中。由于这一过程可以是连续的,它比排放过程更有可能同时发生这两个步骤。其结果是,类似于GaAs或InGaAs等直接gap-III-V系统的Si和锗(Ge)等IV族元素半导体可以成为有效的光子探测器。硅在电子电路和器件中的普遍存在使得硅光电二极管是仪器中最常用的光探测器(典型的器件结构见图1)这一点不足为奇。硅的光谱响应包括紫外光谱、可见光谱和近红外光谱。其他半导体材料的光电二极管可以覆盖电磁光谱的其他部分。 光电二极管有几个特点,使它们与热的同类产品不同。光子转换成电子的速度非常快,因此这些探测器具有跟踪快速变化的辐射水平的潜力。探测率可以明显高于热探测器。探测机制与波长密切相关,即在短波长处,由于光子到瓦特的转换,响应率出现峰值;在长波长处,由于产生电子-空穴对所需的光子能量最小,响应率出现峰值。光电二极管的动态范围可以非常大,用一个探测器可以超过1010的值。由于这种大的探测率和动态范围,光电二极管经常被用来测量大范围的光功率。对于连续波或准连续波源,这是直接的,对于脉冲源,程序可用于估计脉冲能量。光电二极管也可以用作能量传感器,只要它们的时间响应能够适应脉冲积分。这导致动态范围的减小,这是由于低端的检测率降低(由于更快的时间响应)和高端检测器的线性响应饱和。这是因为电子-空穴对开始重新组合,而不是流经电路。
 
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