7、用于自动驾驶的飞行时间激光雷达中的光电二极管与接收器

用于自动驾驶的飞行时间激光雷达中的光电二极管与接收器

在自动驾驶领域，激光雷达（LiDAR）通过向目标发射激光脉冲并收集反射脉冲来获取距离信息。其中，光电二极管在将返回的光信号转换为电信号的过程中起着关键作用，而接收器电路则负责对电信号的幅度和到达时间进行放大和判别。激光雷达的探测和测距能力在很大程度上依赖于接收器的性能。

1. 光电二极管基础

光电二极管是一种吸收光子并产生电流的光电器件，其工作原理基于光电效应。光电效应可分为外光电效应和内光电效应，半导体光电二极管基于内光电效应工作。当光子能量大于半导体材料的带隙时，电子会从价带激发到导带，产生光生载流子。不同半导体材料的带隙不同，吸收的波长范围也不同。例如，硅基光电二极管可吸收波长约为1.1μm的光子，而铟镓砷材料由于带隙较低，可吸收波长长达约1.7μm的光子。

光电二极管是一种包含PN结的二极管，其结构由P+层和N - 层组成，中间为耗尽区。P层有大量空穴，N层有大量电子，耗尽区由电子和空穴的扩散形成，其中自由载流子较少。耗尽区起到电容的作用，其电容与耗尽区宽度成反比。当光子能量足够时，会在耗尽区产生电子 - 空穴对，在耗尽区的内建电场作用下，空穴向阳极移动，电子向阴极移动，形成从阳极到阴极的光电流。与激光二极管不同，光电二极管工作在反向偏置状态，光电流与光照强度成正比，总电流为暗电流和光电流之和。为了提高光电二极管的灵敏度，需要尽量减小暗电流。

光电二极管有光伏模式和光导模式两种工作模式：
- 光伏模式 ：无偏置，不连接电源。光照时，电子被激发，在两极产生电位差，使光电二极管成为电流源，这是太阳能电池的工作基础。
- 光导模式