光电二极管（Photodiode）全面解析：从基础到应用

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光电二极管（Photodiode）全面解析：从基础到应用

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来源

https://enlitechnology.com/zh-hans/blog/photodetector-01/

关键性能指标

光电二极管的性能由多个关键指标决定，这些指标反映了其在不同应用场景下的适用性和效率。以下是光电二极管的主要性能指标及其含义：

响应时间：指光电二极管从开启到关闭或从关闭到开启所需的时间。较短的时间表示对光信号变化的反应更快。
量子效率：光电二极管对光的敏感程度和将光子转换为电流的效率的度量。较高的百分比表示对光信号的敏感度更高。
暗电流：在无光照射的情况下流经光电二极管的电流。较低的暗电流有助于提高信噪比，因为它表示在无光信号的情况下，较少的电流会流经光电二极管，减少了背景噪声的影响。
线性动态范围（LDR）：描述光电流与光强度之间关系的度量。具有较大LDR的光电二极管意味着它能够在更宽的光强度范围内保持线性响应。
频率响应（-3dB带宽）：用于评估光电二极管频率响应性能的指标。它是光电二极管在高频下的响应速度的测试，通常用-3dB带宽表示。
等效噪声功率（NEP）：在1 Hz带宽下，能产生与均方根噪声功率相等的显著光电流的最小光功率的度量。较低的数值表示较低的噪声水平。
探测率（Detectivity, D*）：D*是一个关键参数，因为它直接关系到探测器的灵敏度和性能，尤其在需要探测微弱信号的高精度测量和成像应用中非常重要。

光电二极管/光传感器应用领域

光电二极管因其独特的光电转换特性，在多个领域都有广泛的应用。以下是光电二极管的主要应用领域及其描述：

光敏电阻、感光耦合元件、光电倍增管等设备：能根据受到的光照度变化产生相应的模拟电讯号，用于各种科学和工业应用中。
控制开关和遥控设备：应用于消费电子产品，如CD播放器、烟雾探测器以及红外线遥控设备。
光电耦合元件：应用于检测外部机械组件的运动情况，以及将光信号转换成电信号。
科学研究和工业应用：用于科学实验和工业应用中，以精确检测光强。
环境光传感（Ambient Light Sensing，ALS）：应用于智能手机和汽车数字仪表中，自动调整亮度。
三维传感（3D Sensing）：应用于影像辨识、机器视觉等新兴领域。

光电二极管性能参数测试方法

为了确保光电二极管的性能符合应用需求，需要对其关键性能参数进行测试。以下是几种主要性能参数的测试方法：

光电二极管性能参数	描述	测试步骤简述
光量子效率（EQE）	衡量光电二极管对入射光的敏感程度的指标。测试EQE可以确定光电二极管在不同波长下的光感应性能。	1. 使用一个稳定的光源，如标准光源或激光，以确保输入光强稳定。 2. 使用一个光谱仪来测量不同波长下的入射光强度。 3. 测量光电二极管的输出电流，并记录下来。 4. 根据不同波长下的入射光强度和对应的输出电流计算EQE。
暗电流	暗电流是在无光照射的情况下流经光电二极管的电流。它通常与温度有关，并随着温度升高而增加。测试暗电流的目的是确定光电二极管在低光条件下的电流噪声水平。	1. 将光电二极管置于完全黑暗的环境中，以排除任何外部光源。 2. 测量光电二极管的输出电流，并记录下来。 3. 测试在不同温度下的暗电流，以确保性能在不同环境条件下的稳定性。
响应时间	光电二极管的响应时间是指从开启到关闭或从关闭到开启所需的时间。较短的响应时间通常意味着光电二极管能够更快地响应光信号，这在高频应用中尤其重要。	1. 使用一个光脉冲信号，通常是一个窄脉冲的光源。 2. 测量光电二极管的输出响应时间，这可以通过记录光脉冲信号的开启和关闭时间来实现。
线性动态范围（LDR）	LDR是评估光电二极管特性的一项重要指标。它描述了光电流与光强的关系，通常以响应度（mA/W）表示。测试LDR可以确定光电二极管在不同光强下的线性响应范围。	1. 使用一个可调节光强的光源，以模拟不同光强下的情况。 2. 测量光电二极管的输出电流并记录下来。 3. 根据光强和对应的输出电流计算LDR。
频率响应	频率响应描述了光电二极管对光信号频率变化的响应。在高频应用中，频率响应是一个关键性能参数。	1. 使用一个高频光信号，通常是一个快速变化的光源。 2. 测量光电二极管的输出响应，并记录下来。 3. 通过比较输入信号和输出响应来评估频率响应。