当前，在工农业生产的许多部门中，常利用光电控制的方法来实现自动化。而在光电控制的电路中一般都需用光电元件。光电元件是一种能将光照强弱的变化转变成电信号的元件。半导体光电二极管就是这样的光电元件，它的外形见图①。下面谈谈光电二极管的种类、构造、参数和工作原理。
构造和工作原理
半导体光电二极管与普通半导体二极管相比，在构造上有其相似的地方。如管心都是一个P－N结。光电二极管也是一种非线性元件，具有单向导电的性能。但是光电二极管是光电元件，因此在构造上有它的特点，例如从外形上看光电二极管管壳上有一个能射入光线的窗口，光通过窗口正好照射在管心上（见图②）。另外光电二极管的管心结构与普通二极管也有所不同。图③是2CU型硅光电二极管管心结构的示意图。图中所示的光敏面就是P型扩散层，它是通过扩散工艺在N型硅单晶体片上形成的一个薄层。P型层的深度Xj称为P－N结结深。对硅光电管来说Xj小于1个微米。光电二极管的管心以及管心上的P-N结面积做得较大，而管心上的电极面积则尽量做小些，P－N结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些构造上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外与普通的硅平面二极管一样，在硅片上生长了一层二氧化硅保护膜层，它把P－N结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性和减小了暗电流。
半导体光电二极管的制造工艺与普通二极管是一样的。锗光电二极管采用合金扩散法，硅光电二极管用硅平面工艺来制造。
半导体光电二极管为什么能把光信号转变成电信号呢？
我们知道光电二极管的P-N结具有单向导电性，当加正向电压时它的电阻值很小，通过它的电流很大，当加反向电压时它的电阻大，通过它的电流很小。比如在不受光照时，锗光电二极管在加50V的反向电压下反向电流为1～10微安、硅光电二极管在同样反向电压下则为0.01～0.1微安。我们知道，理想P－N结的反向电流是由P型区的少数载流子（电子）和N型区的少数载流子（空穴），受外电场的作用下形成的。由于少数载流子（又称少子）的数量很少，所以反向漏电流很小（见图④（a））。在加反向电压时和不受光照的条件下光电二极管相当于一个阻值很大的电阻。当光射入光电二极管的管心上时，光被P－N结及两侧所吸收，并激发出电子和空穴（叫做光生电子和光生空穴），我们把它们通称为光生载流子。在反向电压作用下，光生截流子参与导电。由于光生载流子的数量比原来P－N结的少数载流子的数量多得多，因而使P－N结在受光照后，反向电流大量增加，这个电流称光电流，它随入射光的强度的变化而相应变化。光电流流过负载电阻时，在电阻两端将得到随入射光变化的电压信号，见图④（b），光电二极管就是这样将光信号变成电信号的。
由上所述，我们可以看出，光电二极管工作时应加上反向电压。
主要参数
光电二极管的符号见图⑤，它的主要参数有最高工作电压、暗电流、光电流、光电灵敏度、结电容、响应时间等等。下面对这些参数作些说明。
（1）最高工作电压V\(_{max}\)。它是指光电二极管在无光照、并且反向漏电流不超过0.1微安时所能加的最高反向电压值。最高工作电压较大，说明管子性能较稳定。
（2）暗电流I\(_{D}\)。它是指光电二极管在无光照、最高工作电压下的反向漏电流。我们要求暗电流越小越好，这样的管子性能稳定，同时检测弱光的能力也越强。一般硅光电二极管暗电流小于0.1微安，锗光电二极管暗电流小于几个微安。暗电流随环境温度的变化将发生变化，比如硅光电二极管的暗电流在环境温度升高30～40℃时将增大10倍。对锗光电二极管来说暗电流随温度变化的幅度更大。
（3）光电流I\(_{L}\)。它是指光电二极管受到一定光照时，在最高工作电压Vmax下产生的电流。光电流越大越好。光电流I\(_{L}\)一般是用2850°K色温的钨丝灯做光源，在1000勒克斯的照度下测得的。
（4）光电灵敏度S\(_{n}\)。它是反映光电二极管对光的敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为微安／微瓦。光电灵敏度越高，说明对光的反应就越灵敏。
（5）响应时间τ\(_{r}\)。它表示光电二极管将光信号转变成电信号时所需的时间。响应时间越短说明光电二极管将光信号变成电信号的速度就越快，也就是光电二极管的工作频率越高。
（6）结电容C\(_{p}\)。它是指光电二极管中P-N结的结电容。结电容越小，则光电二极管工作频率越高。结电容主要与管心上P－N结面积及两侧掺杂浓度有关，结面积小的结电容也小。
（7）正向电压降V\(_{p}\)。它是指给光电二极管通以一定的正向电流时管子两端的压降。它反映了光电二极管的正向特性的好坏。我们希望正向压降越小越好，这说明管子的串联电阻小，这样的管子热耗小，工作时比较稳定。
（8）光谱范围和峰值波长λ\(_{p}\)。从实验发现，当我们用不同波长的光照射光电二极管时，光电二极管对不同波长的光反应的灵敏度是不同的。如硅光电二极管对9000埃的近红外光反应最灵敏，而对波长小于9000埃或大于9000埃的光则灵敏度下降；对于波长小于4000埃或波长大于11000埃的光几乎没有反应。锗光电二极管对于14650埃的光最灵敏。我们把光电二极管对不同波长的光的灵敏度进行测量，然后画出一条灵敏度随光的波长变化的曲线叫做光电二极管的光谱特性曲线（如图6）。我们把光电二极管反应最灵敏的那个光的波长，叫做该光电二极管的峰值波长。硅光电二极管的峰值波长是9000埃，锗光电二极管的峰值波长是14650埃。
种类和选用
光电二极管的种类很多。按制造材料来分，目前有两种，即用锗或硅半导体单晶材料制作的，例如2AU型锗光电二极管，2CU和2DU型硅光电二极管。从封装材料不同来分，有玻璃封装、金属封装、陶瓷树脂封装等。例如2AU型锗光电二极管采用玻璃封装；2CU1、2CU2、2CU3型硅光电二极管采用金属封装；2DUA和2DUB型采用陶瓷树脂封装。按照不同峰值波长来分，有对9000埃的近红外光最敏感的2CU型和2DU型硅光电二极管；对10600埃红外光最敏感的锂漂移型硅光电二极管；对5000—6000埃最敏感的蓝光光电二极管等等。
另外为了满足激光通信、激光测距等技术发展的需要，现又研制出能工作在高频范围的PIN型硅光电二极管和光电灵敏度更高的雪崩光电二极管等。
不同种类的光电二极管在特性上各不相同。附表列出了几种主要的光电二极管的参数。在白炽灯泡作为光源的情况下，锗光电二极管的光电流比硅光电二极管高，它适合于要求光电流大的线路中使用。但由于锗光电二极管的暗电流比硅光电二极管大，因此锗管的噪声大。锗管暗电流随温度的变化比硅管大，所以锗光电二极管只能用在环境温度变化不大的线路中。
2AU、2CU3、2DUA型光电二极管体积较小，适合于排列使用，特别适合在光电编码器、光电输入机等设备中使用。如果不是排列组合运用，而且在设备允许的条件下应尽量选用入射光窗口大的管子，例如2CU1和2DUB这样光电流大、灵敏度高。
如果我们所用光源发光强度变化的频率较高，就要选用响应时间短的光电二极管。例如2CU、2DU型硅光电二极管，它们的响应时间为10\(^{-}\)7秒，截止频率在1兆赫左右。如果要接收更高频率的光就要选用响应时间更短的PIN型或雪崩型硅光电二极管。
在有些光电控制电路中，使用了半导体光电三极管。由于光电三极管本身具有放大作用，因而灵敏度比光电二极管高，但是光电三极管的暗电流比光电二极管大，而且随温度的变化而变化。另外光电三极管的工作频率也比光电二极管低，所以在低噪声、高频率、稳定性较高的光电控制电路中多选用光电二极管。（北京崇文光电器件厂技术组）