1.6 光电二极管
1.6.1 光电二极管及类型
在可见光通信中光电二极管用作光接收器，将光信号转换为电信号。当携带足够能量的光子在光电二极管中被吸收时，将能量传递给共价键上的束缚电子，束缚电子能量增至一定程度后挣脱共价键的束缚，电子从价带跃迁到导带，从而产生一对电子空穴对，称为光生载流子。在此过程中，光子能量hv不应小于价带和导带之间的能隙 Eg，即hv≥Eg。
通常，光电二极管由反向电压驱动，其中电源阳极连接到负端子，而阴极连接到正端子。如果吸收发生在耗尽区，内置电场将驱使电子空穴对的分离。空穴会向阳极漂移，电子会向阴极漂移，因此产生了光电流。反向电压可以增强耗尽区的内置电场，加速光子诱导载流子的漂移，增大耗尽区的宽度，同时减小电容，从而缩短了响应时间。
直接带隙（InGaAs、GaAs等）和间接带隙（Si、Ge等）的半导体材料都可用于光电二极管。与间接带隙半导体相比，直接带隙半导体通常具有更高的吸收系数。当吸收相同数量的光时，直接带隙半导体的吸收区比对应的间接带隙半导体吸收区要薄。在实践中，通常选择诸如Ge和InGaAs之类的材料来制造用于接收长波长（红外光谱范围）的光电二极管；对于短波长光（200～1600nm），接收器材料优选为 Si。因此，在VLC系统中通常用硅基底的光电二极管。
有多种类型的光电二极管，如PN光电二极管，PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）。
PN光电二极管由薄P型、高掺杂层和N型衬底组成，其频率响应呈现双截止特性，由于载流子在P区和N区的扩散区中的寿命引起的寿命截止（MHz量级），以及由于渡越时间和电容效应引起的RC截止（GHz量级）。PN光电二极管的性能通常受到最大截止频率为100～200MHz的载流子寿命的限制。
在PN结中间掺入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响、提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层。与PN光电二极管相比，为了提高频率响应和高频效率，PIN光电二极管在P区和N区之间夹有附加的本征区。在PIN光电二极管中，耗尽区远大于载流子扩散区。因此，由于载流子在P区和N区的扩散引起的光电流可以忽略，并且截止频率可以增加到GHz量级。PIN光电二极管的频率响应受到光电二极管电容和载流子通过耗尽区的渡越时间的限制。
APD（雪崩光电二极管）是一种PN结型的光检测二极管，作为高灵敏度的半导体，APD利用碰撞电离过程来检测和放大电流。在APD中，激发产生的二次电子与空穴在电场下得到加速又碰撞产生新的电子空穴对，如此继续，形成雪崩倍增效应。与PIN光电二极管相比，APD具有更高的灵敏度。在APD制造上，需要在器件表面加设保护环，以提高反向耐压性能，半导体材料以Si为优（广泛用于检测0.9μm以下的光），但在检测1μm以上的长波长光时则常用Ge和InGaAs（噪音和暗电流较大）。这种APD的缺点就是存在隧道电流倍增的过程，这将产生较大的散粒噪音（降低P区掺杂，可减小隧道电流，但雪崩电压将要提高）。
1.6.2 光电二极管特性参数
1.吸收系数
根据Beer-Lambert定律，光电二极管中接收的辐射通量Φr为
式中，Φt是光穿透光电二极管表面的辐射通量，τ定义为
式中，d是光穿过的光电二极管的厚度；α（z）是衰减/吸收系数，描述了具有特定波长的光在被完全吸收之前穿透到光电二极管中的距离。较高的吸收系数通常有利于提高光电二极管的量子效率。
如果衰减均匀分布，则有
式中，α被称为线性衰减系数，它与光电二极管材料以及光的波长有关。
2.量子效率
量子效率描述了光电二极管对光的敏感度。通常讨论两种不同类型的量子效率，分别是内部量子效率和外部量子效率。内部量子效率ηi定义为电荷载流子的数量（对应于光电流）与光子数量（对应于光电二极管吸收的光）的比值。
式中，Ipc是光电流。硅光电二极管的一个典型内部量子效率模型表示为
式中，c表示在硅和二氧化硅界面处的收集效率；D是单位收集效率的深度；Wp，d是P区和耗尽区的宽度；Wn是N区宽度；L表示少数载流子在N区中扩散的深度。在式（1-18）中，前两项描述了从氧化物界面到点Wp，d的收集效率，第三项表示在均匀掺杂剂浓度的N区中的近似收集效率。
此外，外部量子效率定义为电荷载流子的数量（对应于光电流）与光子数量（对应于光电二极管表面的入射光Φi）的比值，即
3.响应度
响应度是光电检测器的输出电流与输入光功率之比，定义为
其单位符号为A/W，其值与入射光的波长相关。