什么是光電二極管?
光電二極管是一種將光轉(zhuǎn)換為電流的半導(dǎo)體器件，在 p(正)和 n(負(fù))層之間，存在一個(gè)本征層。光電二極管接受光能作為輸入以產(chǎn)生電流。光電二極管也被稱為光電探測(cè)器，光電傳感器或光探測(cè)器。
光電二極管工作在反向偏置條件下，即光電二極管的p-側(cè)與電池(或電源)的負(fù)極相連，n-側(cè)與電池的正極相連。典型的光電二極管材料是硅、鍺、磷化砷化銦鎵和砷化銦鎵。
在內(nèi)部，光電二極管具有濾光器、內(nèi)置透鏡和表面區(qū)域。當(dāng)光電二極管的表面積增加時(shí)，會(huì)縮短響應(yīng)時(shí)間。很少有光電二極管看起來(lái)像發(fā)光二極管 (LED)。它有兩個(gè)終端，如下所示。較小的端子用作陰極，較長(zhǎng)的端子用作陽(yáng)極。
光電二極管的符號(hào)類似于 LED 的符號(hào)，但箭頭指向內(nèi)部而不是 LED 中的外部。下圖顯示了光電二極管的符號(hào)。
光電二極管原理
光電二極管的工作原理是，當(dāng)一個(gè)能量充足的光子撞擊二極管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一對(duì)電子空穴。這種機(jī)制也稱為內(nèi)光電效應(yīng)。如果在耗盡區(qū)結(jié)中出現(xiàn)吸收，則載流子被耗盡區(qū)的內(nèi)置電場(chǎng)從結(jié)中去除。
通常當(dāng)用光照亮PN結(jié)的時(shí)，共價(jià)鍵被電離。這會(huì)產(chǎn)生空穴和電子對(duì)。由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而產(chǎn)生光電流。當(dāng)能量超過(guò) 1.1eV 的光子撞擊二極管時(shí)，就會(huì)形成電子空穴對(duì)。當(dāng)光子進(jìn)入二極管的耗盡區(qū)時(shí)，它以高能量撞擊原子。這導(dǎo)致從原子結(jié)構(gòu)中釋放電子。電子釋放后，產(chǎn)生自由電子和空穴。具體的可以看下圖。
一般來(lái)說(shuō)，電子帶負(fù)電荷，空穴帶正電荷。耗盡能量將具有內(nèi)建電場(chǎng)。由于該電場(chǎng)，電子-空穴對(duì)遠(yuǎn)離PN結(jié)。因此，空穴向陽(yáng)極移動(dòng)，電子向陰極移動(dòng)以產(chǎn)生光電流。
光子吸收強(qiáng)度和光子能量彼此成正比。照片能量越少，吸收越多。這整個(gè)過(guò)程被稱為內(nèi)光電效應(yīng)。
內(nèi)在激發(fā)和外在激發(fā)是發(fā)生光子激發(fā)的兩種方法。當(dāng)價(jià)帶中的電子被光子激發(fā)到導(dǎo)帶時(shí)，就會(huì)發(fā)生本征激發(fā)過(guò)程。
光電二極管的工作電路
光電二極管主要以三種不同的模式工作，是：
光伏模式
光電導(dǎo)模式
雪崩二極管模式
光伏模式
光伏模式也稱為零偏壓模式。當(dāng)光電二極管工作在低頻應(yīng)用和超能級(jí)光應(yīng)用時(shí)，這種模式是首選。當(dāng)閃光照射光電二極管時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓。產(chǎn)生的電壓將具有非常小的動(dòng)態(tài)范圍，并且具有非線性特性。當(dāng)光電二極管在此模式下配置 OP-AMP ，隨溫度的變化將非常小。
光電導(dǎo)模式
在光電導(dǎo)模式下，光電二極管將在反向偏置條件下工作。陰極為正極，陽(yáng)極為負(fù)極。當(dāng)反向電壓增加時(shí)，耗盡層的寬度也會(huì)增加。因此，響應(yīng)時(shí)間和結(jié)電容將減少。相比之下，這種操作模式速度快，并且會(huì)產(chǎn)生電子噪音。
雪崩二極管模式
雪崩二極管在高反向偏置條件下工作，這允許雪崩擊穿倍增到每個(gè)光電產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)。該結(jié)果是光電二極管的內(nèi)部增益，它會(huì)緩慢增加設(shè)備響應(yīng)。
光電二極管電路
光電二極管的電路圖如下所示。該電路可以用一個(gè) 10k 電阻器和光電二極管構(gòu)建。一旦光電二極管注意到光線，它就會(huì)允許一些電流通過(guò)它。通過(guò)該二極管提供的電流總和可以與通過(guò)二極管觀察到的光的總和成正比。
在外部電路中連接光電二極管
光電二極管在反向偏置的電路中工作。陽(yáng)極連接到電路地，陰極連接到電路的正電源電壓。當(dāng)被光照射時(shí)，電流從陰極流向陽(yáng)極。
當(dāng)光電二極管與外部電路一起使用時(shí)，它們連接到電路中的電源。光電二極管產(chǎn)生的電流量將非常小。該電流值不足以驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。因此，當(dāng)它們連接到外部電源時(shí)，它會(huì)為電路提供更多電流。因此，電池被用作電源。電池源有助于增加電流值，有助于外部設(shè)備具有更好的性能
光電二極管的制造過(guò)程
光電二極管材料
光電二極管的材料決定了它的許多特性。關(guān)鍵特性是光電二極管響應(yīng)的光的波，另一個(gè)是噪音水平，這兩者在很大程度上取決于光電二極管中使用的材料。
由于使用不同材料而導(dǎo)致對(duì)波長(zhǎng)的不同響應(yīng)發(fā)生，因?yàn)橹挥芯哂凶銐蚰芰康墓庾硬拍茉诓牧系膸吨屑ぐl(fā)電子，才會(huì)產(chǎn)生顯著的能量來(lái)產(chǎn)生來(lái)自光電二極管的電流。
雖然材料的波長(zhǎng)敏感性非常重要，但另一個(gè)可能對(duì)光電二極管性能產(chǎn)生重大影響的參數(shù)是產(chǎn)生的噪聲水平。
由于其更大的帶隙，硅光電二極管產(chǎn)生的噪聲比鍺光電二極管要小。然而，還需要考慮需要光電二極管的波長(zhǎng)，并且鍺光電二極管必須用于長(zhǎng)于大約 1000 nm 的波長(zhǎng)。
光電二極管結(jié)構(gòu)
光電二極管的關(guān)鍵要求之一是收集光的合適區(qū)域。在標(biāo)準(zhǔn) PN 結(jié)內(nèi)，這相對(duì)較小，但可以通過(guò)使用 PIN 二極管來(lái)增加面積。由于本征區(qū)域包含在用于集光的有源結(jié)中，因此用于集光的區(qū)域要大得多，從而使 PIN 光電二極管更有效。
在光電二極管制造過(guò)程中，在 P 型和 N 型層之間插入了厚的本征層。該中間本征層可以是完全本征的，或者是非常輕摻雜的以使其成為N-層。在某些情況下，它可以作為外延層生長(zhǎng)到襯底上，或者它可以包含在襯底本身內(nèi)。
P+擴(kuò)散層的開(kāi)發(fā)可以在重?fù)诫s的N型外延層上進(jìn)行。觸點(diǎn)采用金屬設(shè)計(jì)，可制成陽(yáng)極和陰極等兩個(gè)端子。二極管的前部區(qū)域可以分為兩種類型，例如有源表面和無(wú)源表面。
非活性表面的設(shè)計(jì)可以用二氧化硅 (SiO2) 完成。在活動(dòng)表面上，光線可以照射在其上，而在非活動(dòng)表面上，光線不能照射。通過(guò)抗反射材料覆蓋活性表面，使光的能量不會(huì)損失，最高可以轉(zhuǎn)化為電流。
光電二極管的主要要求之一是確保最大量的光到達(dá)本征層。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的最有效方法之一是將電觸點(diǎn)放置在設(shè)備的側(cè)面，如圖所示。這使得最大量的光能夠到達(dá)有效區(qū)域。發(fā)現(xiàn)由于襯底是重?fù)诫s的，由于這不是有源區(qū)，因此幾乎沒(méi)有光損失。
由于光在一定距離內(nèi)大部分被吸收，本征層的厚度通常與此相匹配。任何超過(guò)此厚度的增加都會(huì)降低操作速度——這是許多應(yīng)用中的一個(gè)重要因素，并且不會(huì)大大提高效率。
也可以讓光從結(jié)的一側(cè)進(jìn)入光電二極管。通過(guò)以這種方式操作光電二極管，可以使本征層變得更少以提高操作速度，盡管效率降低。
在某些情況下，可以使用異質(zhì)結(jié)。這種結(jié)構(gòu)形式具有額外的靈活性，可以從基板接收光，并且具有更大的能隙，使其對(duì)光透明。
作為一個(gè)不太標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程，它的實(shí)施成本更高，因此往往被用于更專業(yè)的產(chǎn)品。
光電二極管特性
伏安特性
伏安特性是指光電二極管上的光電流與施加在其上的電壓之間的關(guān)系。
光照特性
光照特性是指在陰極和陽(yáng)極之間的光電二極管電壓恒定時(shí)，光通量與光電流的關(guān)系。光特性曲線的斜率稱為光電二極管靈敏度。
光譜特性
光電流與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系稱為光譜特性。光子能量與光波長(zhǎng)有關(guān)：波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光子能量越小;波長(zhǎng)越短，光子能量越大。
光電二極管的作用與用途
光電二極管的功能
光電二極管廣泛用于：
1、光控
光電二極管可用作光電開(kāi)關(guān)，其電路如下圖所示。當(dāng)沒(méi)有光時(shí)，光電二極管VD1由于反向電壓而截止。晶體管VT1和VT2也因無(wú)基極電流而截止。繼電器處于釋放狀態(tài)。
當(dāng)光在 VD1 上發(fā)射時(shí)，它從截止過(guò)渡到導(dǎo)通。于是，VT1、VT2依次導(dǎo)通，繼電器K吸合，接通控制電路。
2、光信號(hào)接收
光電二極管可用于接收光信號(hào)。下圖為光信號(hào)接收放大光電二極管電路。光信號(hào)由光電二極管VD接收，經(jīng)VT放大，通過(guò)耦合電容C輸出。
VI 光電二極管應(yīng)用
具體的光電二極管應(yīng)用是：
1、光電管
光電管本質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié)。當(dāng)光在一個(gè) PN 結(jié)表面上發(fā)射時(shí)，例如 P 區(qū)表面，如果光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶帶寬，則 P 區(qū)中的每個(gè)光子都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自由電子-空穴對(duì)。
電子-空穴對(duì)迅速向內(nèi)擴(kuò)散，并在結(jié)電場(chǎng)下形成與光強(qiáng)相關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。
這時(shí)候，如果我們把它作為電源，連接到外部電路，只要有光，它就會(huì)持續(xù)供電，這就是光電池。換句話說(shuō)，光電池是一種沒(méi)有偏置電壓的PN結(jié)光電器件。它可以直接將光能轉(zhuǎn)化為電能。
2、太陽(yáng)能電池
太陽(yáng)能電池是一種半導(dǎo)體器件。當(dāng)陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體上時(shí)，一部分被反射，其余部分被吸收或穿透半導(dǎo)體。
一些吸收的光變成熱，而其他光子與構(gòu)成半導(dǎo)體的價(jià)電子碰撞，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這樣，光能就轉(zhuǎn)化為電能。
因此，在太陽(yáng)光照射后，太陽(yáng)能電池的兩端會(huì)產(chǎn)生直流電壓，從而將太陽(yáng)光能量直接轉(zhuǎn)化為直流電流。如果我們將金屬引線焊接到 P 層和 N 層，并連接負(fù)載，電流將流過(guò)外部電路。
這樣，如果我們把光電管串并聯(lián)起來(lái)，就可以產(chǎn)生一定的電壓和電流，從而輸出功率。
3、光伏發(fā)電照明系統(tǒng)
光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電系統(tǒng)。它利用光伏效應(yīng)。
主要部件是太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器和逆變器?？煽啃愿?、使用壽命長(zhǎng)、無(wú)污染、獨(dú)立發(fā)電、光電二極管并網(wǎng)運(yùn)行。
由于光電二極管光伏模式受光線、溫度等外界環(huán)境因素影響較大，工作點(diǎn)變化較快。有獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
(1) 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)
獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種不接入電網(wǎng)的發(fā)電方式。它需要電池來(lái)為夜間儲(chǔ)存能量。獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電主要用于偏遠(yuǎn)村莊和家庭。
(2)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)接入國(guó)家電網(wǎng)為電網(wǎng)供電。它不需要電池。住宅光伏發(fā)電系統(tǒng)大多在家庭中。它們還用于公共設(shè)施、夜間景觀照明系統(tǒng)和太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)。
光電二極管的其他應(yīng)用有：
用作光傳感器的光電二極管。由于其中的電流與光的強(qiáng)度成正比，因此也用于測(cè)量光的強(qiáng)度。
可以使用煙霧探測(cè)器中的光電二極管來(lái)感知煙霧和火災(zāi)。
光電二極管與led配合制作光隔離器和光耦合器
在太陽(yáng)能電池板中用作太陽(yáng)能電池
用于條碼掃描器、字符識(shí)別
用于障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，
可在打印機(jī)中用作頁(yè)面存在和頁(yè)面計(jì)數(shù)器
用于接近檢測(cè)、血氧計(jì)
位置傳感器
光電二極管選型參數(shù)
有四個(gè)主要參數(shù)用于選擇正確的光電二極管以及是否對(duì)光電二極管進(jìn)行反向偏置。
1、暗電流
在光電導(dǎo)模式下，當(dāng)沒(méi)有光時(shí)，通過(guò)光電二極管的電流為暗電流。光電二極管中的暗電流包括半導(dǎo)體結(jié)的輻射電流和飽和電流。必須提前測(cè)量。特別是在精密光功率測(cè)量中，必須仔細(xì)考慮和糾正暗電流引起的誤差。
2、光電二極管響應(yīng)時(shí)間
響應(yīng)速率是光導(dǎo)模式下的光電流與應(yīng)急燈的比值，單位為 A/W。響應(yīng)特性也可以表示為光電二極管的量子效率，即光產(chǎn)生的載流子數(shù)與應(yīng)急光光子數(shù)之比。
3、噪聲等效功率(NEP)
噪聲等效功率是指產(chǎn)生光電流所需的最小光功率，它等于 1 Hz 時(shí)噪聲功率的 RMS。它大約等于光電二極管的最小可檢測(cè)輸入功率。一個(gè)相關(guān)的屬性是檢測(cè)率 (D)，它是噪聲等效功率的倒數(shù)。
4、頻率響應(yīng)特性
主要由三個(gè)因素決定：
(1)耗盡層附近光生載流子的擴(kuò)散時(shí)間;
(2) 耗盡層中光生載流子的漂移時(shí)間;
(3)由負(fù)載電阻和并聯(lián)電容決定的電路時(shí)間常數(shù)。
其他重要參數(shù)包括材料、光電二極管和有源區(qū)域的尺寸以及成本。在采購(gòu)光電二極管時(shí)，需要仔細(xì)考慮。
由不同材料(硅、鍺、砷化銦鎵磷化物或砷化銦鎵)制成的光電二極管具有不同級(jí)別的靈敏度以及不同的速度和暗電流。例如，硅對(duì)約 400 到 1000 nm 的波長(zhǎng)提供靈敏度。然而，它在較高波長(zhǎng)(~900 nm)下具有最高的靈敏度。
另一方面，鍺對(duì)約 800 至 1600 nm 之間的波長(zhǎng)(峰值約 1400 nm)提供靈敏度。
光電二極管怎么測(cè)好壞?
1、電阻測(cè)量方法
使用萬(wàn)用表的“1k”來(lái)測(cè)試光電二極管。光電二極管的正向電阻約為 10KΩ 。
無(wú)光時(shí)，若測(cè)得的反向電阻為∞ ，則說(shuō)明二極管良好，或漏電流較大。
有光照時(shí)，反向電阻隨光照強(qiáng)度的增加而減小。如果電阻可以達(dá)到幾kΩ ;或低于1k Ω，二極管是好的;如果反向電阻為∞或?yàn)榱悖瑒t二極管已損壞。
2、電壓測(cè)量方法
使用萬(wàn)用表的“1V”檔。將紅色表筆接到光電二極管的正極，黑色表筆接到負(fù)極。在光照下，電壓與光照強(qiáng)度成正比，一般可達(dá)0.2V-0.4V。
3、短路電流測(cè)量方法
使用萬(wàn)用表的“50 μA ”檔。將紅色表筆接到光電二極管正極，黑色表筆接到負(fù)極。在白熾燈(不是熒光燈)下，如果短路電流隨著光的增加而增加，則二極管是好的。短路電流可達(dá)數(shù)十至數(shù)百μA。
有時(shí)，需要區(qū)分紅外發(fā)光二極管和紅外光電二極管。
如果它們都用透明樹(shù)脂包裝，我們可以看到它們的模具安裝。紅外 LED 管芯下方有一個(gè)淺板，但沒(méi)有光電二極管管芯。
如果它是一個(gè)小型光電二極管或者它是用黑色樹(shù)脂包裝的，您可以使用萬(wàn)用表(設(shè)置為 1k 檔)測(cè)量電阻。
首先，確保二極管沒(méi)有暴露在光線下。如果測(cè)得的正向電阻為20-40kΩ ，反向電阻大于200kΩ ，則正向電阻約為10k，反向電阻接近∞，即為光電二極管。
審核編輯：湯梓紅