光电二极管原理：PN 结怎样把光变成电流

一句话结论：光电二极管靠耗尽区的内建电场把光生电子—空穴对分开，输出电流正比于光功率，硅的响应上限约 1100 nm。

从一片硅片说起

线性光电二极管阵列芯片

图 1：一片线性光电二极管阵列芯片。中部横贯的一条线上集成 200 多个光电二极管单元，四周是读出电路。

把这样一片芯片装进分光光度计，它能在同一瞬间读出几百个波长上的光强。芯片上最小的功能单元是一个光电二极管：两片掺杂类型相反的硅贴在一起，外面加一个反向电压，光照上去，电流就来了。

这个动作听起来简单，做准确却不容易。手机摄像头要在一秒钟里读出上亿次光强，光纤接收机要在几十吉赫兹的带宽下分辨微瓦级的光脉冲，天文望远镜则想数清单个光子。它们用的探测元件都从同一个结构出发，区别只在于把哪一项指标推到极致。

这篇文章要回答的是：光在半导体里怎样变成电子和空穴，内建电场又怎样把这些载流子变成可测量的电流，以及响应度、量子效率、暗电流和带宽这几项指标为什么总是互相牵制。

光先要被吸收：带隙决定波长上限

光进入硅以后，会不会被吸收，取决于单个光子的能量与硅的带隙谁大谁小。半导体里的电子填满价带，导带是空的，中间那一段禁止电子停留的能量区间就是带隙 $E_g$。一个光子想把电子从价带顶抬到导带底，至少要交出 $E_g$ 这么多能量：

$$h\nu \ge E_g$$

换成波长说话更直观：

$$\lambda \le \frac{hc}{E_g} = \frac{1240}{E_g(\mathrm{eV})}\ \mathrm{nm}$$

硅在室温下的带隙约 1.12 eV，代入得 1240/1.12 ≈ 1107 nm。波长比这更长的光子，能量不够跨过带隙，硅对它几乎是透明的。这也解释了一个常被问到的现象：硅基探测器在 1310 nm 和 1550 nm 的光纤通信波段上基本失明，接收端得换成锗或铟镓砷（InGaAs）这类带隙更窄的材料。

导体、半导体与绝缘体的能带对比

图 2：导体、半导体与绝缘体的能带对比。半导体的价带与导带之间隔着一段能隙，只有能量超过能隙的光子才能把电子激发到导带，留下一个空穴。

光子能量比带隙富余的部分不会消失，它变成电子和空穴的额外动能，最终以热的形式散掉。光有多亮只决定能测到多少光子，能不能探测却取决于单个光子的能量够不够。

内建电场把电子和空穴分开

吸收只是第一步。光子激发出的是电子和空穴对，如果放任不管，它们很快就会复合，什么信号也留不下。光电二极管的关键，是在结区准备好一个能把两种载流子朝相反方向推开的电场。

p 型硅里空穴多，n 型硅里电子多。两者接触时，载流子向对方一侧扩散并复合，界面附近留下不能移动的带电离子：p 侧带负电，n 侧带正电。这一层缺少可动载流子的区域叫耗尽区，也叫空间电荷区；它产生的电场从 n 侧指向 p 侧，平衡时恰好阻止进一步的净扩散。能带图上看，这一区域两侧的导带和价带都发生弯曲。

p+n 阶跃结平衡能带图

图 3：p⁺n 阶跃结在平衡态的能带图。$E_c$ 与 $E_v$ 分别是导带底和价带顶，$E_f$ 是费米能级，$E_i$ 是本征费米能级；能带在结区两侧弯曲，对应内建电势。

光生载流子如果恰好产生在耗尽区内，或者产生在离耗尽区一个扩散长度以内，就会被这个电场分开：电子被推向 n 区，空穴被推向 p 区。载流子一走，外电路就出现电流。反过来，如果在远离结区的材料深处产生，它们只能靠扩散慢慢挪到结边，路上很容易复合，对光电流几乎没有贡献。这也解释了为什么光电二极管要尽量把光吸收在结区附近，而不是让光白白穿到衬底里。

响应度与量子效率：一个光子换多少电流

器件做得好不好，看两个数字。

响应度 $R$ 是光电流与入射光功率之比，单位 A/W：

$$R = \frac{I_{ph}}{P} = \frac{\eta q \lambda}{hc} \approx \frac{\eta \lambda(\mathrm{nm})}{1240}\ \mathrm{A/W}$$

量子效率 $\eta$ 是每个入射光子最终贡献给外电路的电子数。理想情况下一个光子换一个电子，$\eta = 1$；实际器件受表面反射、吸收不完全和复合的影响，硅光电二极管的典型值在 60% 到 80%，精心设计减反射膜和吸收结构后可以超过 95%。

代入一组具体数值。取 $\lambda = 850$ nm、$\eta = 0.8$：$R \approx 0.8 \times 850 / 1240 \approx 0.548$ A/W。若入射光功率是 10 μW，光电流就是 $0.548 \times 10^{-5} \approx 5.5$ μA。量纲上也对得上：$[\eta q \lambda / hc] = \mathrm{C \cdot nm / (J \cdot s)} = \mathrm{C/J} = \mathrm{A/W}$。

从公式还能看出响应度随波长变化的形状。同样功率下，波长越长光子数越多，$R$ 本应随 $\lambda$ 线性上升；但波长逼近带隙边缘时，吸收系数和量子效率急剧下降，$R$ 又掉下来。两者叠加的结果是一个先升后降的峰，硅的响应峰值落在 800 到 900 nm 附近。

两种工作模式：光伏模式与光导模式

同样一个 PN 结，加不加反向电压，行为差别很大。这两种用法分别叫光伏模式和光导模式，I–V 曲线上一眼能看出来。

光电二极管 I–V 曲线与等效电路

图 4：光电二极管的 I–V 曲线与简化等效电路。暗态曲线与光照曲线之间的竖直间距就是光电流；斜线是外电路负载线，它与曲线的交点决定实际工作点。

光伏模式不加偏置，二极管工作在 I–V 曲线的第四象限：光照产生的电流流经外电路，器件本身像一个电流源。零偏意味着几乎没有暗电流，噪声低，适合精密光功率计；代价是耗尽区窄、结电容大、响应慢，而且开路电压随光强按对数变化，线性度不好。太阳能电池本质上就是一个大面积、工作在光伏模式的光电二极管。

光导模式加反向电压。反偏把耗尽层拉宽，结电容随之下降，载流子在更强的电场里漂移得更快，响应时间因此缩短，带宽提高。代价同样直接：反偏会带来更多暗电流和噪声。好一点的 p-i-n 二极管漏电流可以低于 1 nA，此时电路里的约翰逊噪声往往比暗电流噪声更大。

表 1：光电二极管两种工作模式的对比。

对比项 光伏模式 光导模式
偏置 零偏或接近零偏 反向偏置
耗尽层宽度 较窄 随反偏加宽
结电容与带宽 电容大、带宽低 电容小、带宽高
暗电流 很小 随反偏增大
噪声 低 较高
线性度 对数式，较差 在多个数量级内保持线性
典型用途 精密光功率测量、太阳能电池 光通信、快速光脉冲探测

选择哪一种，取决于要测的是“多准”还是“多快”。测稳态光功率、要求低噪声，就用光伏模式；测纳秒级光脉冲、要求带宽，就用光导模式并接受更差一点的噪声。

从 p-i-n 到雪崩：把信号放大

响应度和带宽之间还有一个绕不开的取舍：想把光吸收干净，就需要足够厚的吸收区；而吸收区越厚，载流子渡越时间越长，电容也越大。p-i-n 结构是化解这个矛盾的第一种办法。它在 p 层和 n 层之间夹一层本征（弱掺杂）硅，反向偏置下整层都变成耗尽区。吸收区变宽，光吸收更充分，同时结电容反而下降，带宽和灵敏度可以同时改善。

当光信号弱到光电流只有纳安甚至皮安量级，探测器自身没有增益就成了瓶颈。雪崩光电二极管（APD，Avalanche Photodiode）把反向偏压推到接近击穿的位置，光生载流子在强电场中加速到足以通过碰撞电离激发出新的电子—空穴对，新载流子再继续碰撞，形成雪崩倍增。标准硅 APD 通常在 100 到 200 V 反偏下工作，增益约 100；改进掺杂与斜面结构的设计可以承受 1500 V 以上，增益超过 1000。

增益不是白拿的。倍增过程本身是随机的，会引入多余噪声因子（ENF），让噪声的增长快于信号的线性放大；增益还强烈依赖偏压和温度，需要额外的偏置稳定电路。这正是“高灵敏”背后要付的账。

把偏压再抬高一点，超过击穿电压 $V_{BD}$，器件进入 Geiger 模式，这就是单光子雪崩二极管（SPAD，Single-Photon Avalanche Diode）。此时耗尽层电场可高于 $3\times10^5$ V/cm，单个载流子就足以触发自持雪崩，电流在亚纳秒内升到毫安量级。雪崩脉冲的前沿标记了光子到达的时刻，时间抖动可以做到皮秒量级，这让 SPAD 成为时间相关单光子计数（TCSPC）、激光雷达和荧光寿命成像的核心器件。

代价是每个光子事件之后必须把雪崩“掐灭”：淬灭电路把偏压降到击穿电压附近，再重新拉回工作点，器件才能迎接下一个光子。这段恢复时间构成死时间。此外还有热激发引起的暗计数（DCR）、载流子从陷阱中逃逸造成的后脉冲，光强太高时计数率会饱和并偏离线性。

从单个探测器到成像传感器

把光电二极管排成阵列，单个探测器的原理就变成了成像器件的原理。图 1 里那片芯片是线阵：中部一条线上排开 200 多个单元，每个单元对应一个波长通道，一次曝光就能拿到一整段光谱。面阵把单元排成二维网格，每个格子就是一个像素，于是有了我们熟悉的图像传感器。

早期的主流方案是电荷耦合器件（CCD，Charge-Coupled Device），它把每个像素吸收光子产生的电荷依次转移到读出端再统一放大。这套电荷转移机制让 CCD 的噪声很低，但对转移效率要求苛刻，功耗也高。现代传感器大多改用有源像素传感器（APS，Active-Pixel Sensor）：每个像素里除了光电二极管，还集成了转移栅和一个或多个放大晶体管，可以把电荷先转成电压、在像素内完成一级放大再送出去。互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺成熟以后，这类传感器就是手机、相机里的 CMOS 图像传感器。

现代 CMOS 像素里最关键的元件是钉扎光电二极管（PPD，pinned photodiode）。它在光电二极管表面加一层高掺杂层，把界面态隔开，兼具低暗电流、低噪声和高量子效率。它最早为消除 CCD 的快门滞后而提出，后来被 CCD 和 CMOS 传感器普遍采用。今天评判一枚图像传感器，看的仍然是光电二极管那几项老指标：量子效率决定灵敏度，暗电流决定暗处噪声底线，结电容和读出电路决定帧率与带宽，像素尺寸则在灵敏度和分辨率之间做取舍。

常见误解

误以为光电二极管和光电倍增管一样自带增益。 普通光电二极管没有增益，理想情况下一个光子最多贡献一个电子的电荷量。需要增益要选 APD，需要单光子灵敏度则要选 SPAD，它们的增益分别来自碰撞电离与 Geiger 模式雪崩。

误以为只要有光照就一定能测到电流。 光子能量必须先超过半导体带隙，载流子还要产生在耗尽区附近才能被有效收集。硅的带隙约 1.12 eV，对应波长上限约 1100 nm，所以硅基探测器对 1550 nm 通信光几乎透明。

误以为反向偏压越大，光信号越强。 反偏主要改变耗尽层宽度、结电容和响应速度，光电流在很宽的范围内基本与偏压无关。把偏压加大反而会推高暗电流和噪声，APD 还会因此变得对温度敏感。

误以为暗电流只是一个可以扣掉的零点。 暗电流本身携带散粒噪声，在弱光下它决定整条探测链的噪声底线。扣掉平均值只能修正读数，不能消除起伏，这也是制冷和低暗电流工艺存在的理由。

参考资料