一、核心定义与物理基础
光敏二极管（Photodiode，简称PD）是一种基于光电效应的半导体器件，其核心功能是将光信号转换为电信号。其物理基础是PN结的光敏特性：当光子能量大于半导体材料的禁带宽度时，价带电子跃迁至导带，形成电子-空穴对（光生载流子）。这些载流子在PN结内建电场作用下定向移动，产生光电流。
光敏二极管，又叫光电二极管（英语：photodiode ）是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一个具有光敏特征的PN结，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性，因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。常见的有2CU、2DU等系列。
二、管脚定义与极性识别
- 标准封装标识
- 色点/管键标记：靠近色点或管键的一脚为正极（阳极，Anode），另一脚为负极（阴极，Cathode）。
- 引脚长度：部分封装中，长引脚为正极，短引脚为负极。
- 万用表检测：
- 置于Rx1k档，遮挡受光窗口，测量两次反向电阻。
- 阻值较大的一次测量中，红表笔接正极，黑表笔接负极。
- 特殊封装结构
- TO-46金属封装：阳极通过引脚A2引出，阴极直接连接管座（常见于激光头功率检测PD）。
- 侧面受光型：部分长方形管体通过标记角指示受光面方向，需结合器件手册确认极性。
三、核心接线方式与工作模式
光敏二极管的接线方式需根据应用场景选择，常见模式如下：
| 工作模式 | 接线方式 | 特点 |
|---|---|---|
| 零偏压模式（光伏模式） | 阳极接地，阴极通过负载电阻连接至电源正极（或直接接至运放输入端）。 | 暗电流极低，噪声小，适用于微弱光信号检测；输出电压与光强线性相关。 |
| 反向偏压模式（光导模式） | 阴极接反向电压（如-5V），阳极接地或通过负载电阻连接至运放输入端。 | 响应速度快（纳秒级），适用于高速光通信；暗电流随反向电压增加而增大。 |
| 跨阻放大器（TIA）接线 | 阴极接运放反相输入端，阳极接地；运放输出端通过反馈电阻连接至反相输入端。 | 将微弱光电流转换为电压信号，提高信噪比；反馈电阻与运放带宽决定响应速度。 |
| 激光功率自动控制（APC）电路 | PD阴极接至APC电路运放输入端，阳极接地；运放输出调节激光二极管（LD）驱动电流。 | 补偿温度漂移和光盘污染对光功率的影响；电位器可调整PD偏置电压，设置初始功率。 |
四、关键设计参数与选型依据
- 光谱响应范围
- 硅基PD：响应波长400-1100nm（峰值850-950nm），适用于可见光至近红外区。
- 锗基PD：响应波长800-1600nm，适用于红外通信但暗电流较大。
- InGaAs PD：响应波长900-1700nm，适用于长波长光通信。
- 响应度（S）
- 表示单位光功率产生的光电流（A/W），典型值0.4-0.9 A/W（硅基PD在可见光区）。
- 计算公式：S=PoptIPD，其中 IPD 为光电流，Popt 为入射光功率。
- 暗电流（I_D）
- 无光照时的反向电流，需低于光电流的1/10以避免干扰。
- 硅基PD暗电流通常小于1nA，锗基PD可达数百nA。
- 结电容（C_j）
- 影响高频响应，PIN-PD通过扩展耗尽层降低结电容，提高速度。
- 典型值：普通PN结PD结电容为几pF，PIN-PD可低至0.1pF。
- 抗反射涂层
- 减少光反射损失，提高量子效率（典型值>80%）。
- 涂层材料需与响应波长匹配（如SiO₂/TiO₂多层膜用于可见光区）。
五、典型应用场景
- 光通信接收端
- 使用PIN-PD或APD（雪崩光电二极管）接收高速光信号。
- 跨阻放大器将光电流转换为电压信号，供后续电路处理。
- 激光功率监测
- PD检测LD输出光功率，通过APC电路稳定激光输出。
- 应用于光盘驱动器、光纤传感器等场景。
- 环境光检测
- 零偏压模式PD连接至微控制器ADC，测量环境光强度。
- 用于自动调光、光控开关等低速应用。
- 医疗与安防
- 血液透析器、临床血细胞计数器中实现光学信息转换。
- 红外探测器、烟雾报警器中检测光强变化。
六、设计注意事项
- 温度补偿
- 暗电流随温度升高而指数增长(暗电流是没有光照时候的电流)，需采用温度补偿电路或选择低温系数PD。
- 电磁兼容（EMC）
- 在高速通信中，PD引脚需采用差分走线，减少串扰。
- 光路设计
- 确保光束聚焦于PD受光面，避免反射损失；可使用透镜或光纤耦合。
- 反向电压选择
- 反向偏压可提高响应速度，但需避免超过最大反向电压（V_R）导致击穿。
七、工作原理
光敏二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光敏二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时（未导通），反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。利用的反向截止时。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
正向导通的功能与普通二极管无差异！！！！！
八、检测
检测光敏二极管，可用万用表Rx1k电阻档。
当没有光照射在光敏二极管时，它和普通的二极管一样，具有单向导电作用。正向电阻为8-9kΩ，反向电阻大于5MΩ。如果不知道光敏二极管的正负极，可用测量普通二极管正、负极的办法来确定，当测正向电阻时，黑表笔接的就是光敏二极管的正极。
当光敏二极管处在反向连接时，即万用表红表笔接光敏二极管正极，黑表笔接光敏二极管负极，此时电阻应接近无穷大(无光照射时)，当用光照射到光敏二极管上时，万用表的表针应大幅度问右偏转，当光很强时，表针会打到0刻度右边。
当测量带环极的光敏二极管时，环极和后极(正极)也相当一个光敏二极管，其性能也具有单向导电作用和见光后反向电阻大大下降。
区分环极和前极的办法是，在反向连接情况下，让不太强的光照在光敏二极管上，阻值略小的是前极，阻值略大的是环极。