什么是光電二極管？

光電二極管是一種特殊的半導(dǎo)體器件，其作用是將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電二極管的核心部分是一個具有光敏特征的PN結(jié)，它對光的變化非常敏感，具有單向?qū)щ娦浴?/p>

光電二極管在反向電壓的作用下工作。當(dāng)沒有光照時，反向電流非常小，被稱為暗電流，此時光電二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。然而，當(dāng)有光照時，反向電流會迅速增大，形成光電流，這個光電流的大小會隨著入射光強度的變化而變化。這種特性被稱為“光電導(dǎo)”。

光電二極管具有高靈敏度、快速響應(yīng)和低噪聲等特點，因此被廣泛應(yīng)用于光電測量、通訊、自動控制和光纖傳輸?shù)阮I(lǐng)域。此外，光電二極管還可以用于制作光電傳感器、光電探測器或光探測器。

光電二極管與普通的半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的，都由一個PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦浴Ｈ欢胀ǘO管在電路中主要作為整流元件，而光電二極管則是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電器件。

總的來說，光電二極管是一種重要的光電器件，它將光能轉(zhuǎn)化為電能，為各種應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

光電二極管的工作原理

當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，由于熱產(chǎn)生的空穴和電子作為少數(shù)載流子掃過結(jié)，因此會產(chǎn)生反向飽和電流。隨著結(jié)溫度的升高，產(chǎn)生越來越多的空穴電子對，因此反向飽和電流I0.增加。通過照亮連接處也可以達到相同的效果。當(dāng)光能轟擊PN結(jié)時，它會驅(qū)逐價電子。照射結(jié)點的光越多，二極管中的反向電流就越大。這是由于隨著光照水平的增加，產(chǎn)生越來越多的電荷載流子。暗電流是沒有光入射時存在的電流。這里要注意的是，僅當(dāng)施加的正偏壓等于V0時電流才變?yōu)榱恪τ谙嗤墓馔吭隽浚€之間幾乎相等的間距表明反向飽和電流I0隨光通量線性增加。反向電壓的增加不會顯著增加反向電流，因為所有可用的電荷載流子已經(jīng)掃過結(jié)。為了將反向飽和電流I0減小到零，需要將結(jié)正向偏置等于勢壘電勢的量。因此光電二極管可以用作 光電導(dǎo)器件 。

在去除施加在光電二極管上的反向偏壓后，少數(shù)電荷載流子繼續(xù)掃過結(jié)，同時二極管被照亮。這具有增加P側(cè)空穴濃度和N側(cè)電子濃度的效果。但勢壘電位在 P 側(cè)為負，在 N 側(cè)為正，是由在結(jié)制造過程中從 P 側(cè)流向 N 側(cè)的空穴和從 N 側(cè)流向 P 側(cè)的電子產(chǎn)生的。因此，少數(shù)載流子的流動往往會降低勢壘電勢。

當(dāng)外部電路跨接在二極管端子上時，少數(shù)載流子通過外部電路返回到原來的一側(cè)。從 P 側(cè)穿過結(jié)點到 N 側(cè)的電子現(xiàn)在通過 N 端流出并進入 P 端。這意味著該器件表現(xiàn)為電壓單元，N 側(cè)為負極端子，P 側(cè)為正極端子。因此，光電二極管既是光電器件又是 光電導(dǎo)器件 。當(dāng)該器件在反向偏壓下工作時，它作為光電導(dǎo)器件工作，而當(dāng)在沒有反向偏壓的情況下工作時，它作為光伏??器件工作。由于該器件的上升和下降時間（狀態(tài)變化參數(shù)）非常小（納秒范圍內(nèi)），因此可用于高速計數(shù)或開關(guān)應(yīng)用。

光電二極管的光靈敏度比硫化鎘LDR低得多，但對光水平的響應(yīng)速度相當(dāng)快。一般來說，LDR非常適合用于慢作用直接耦合光級傳感應(yīng)用，而光電二極管則非常適合用于快速作用交流耦合信號應(yīng)用。

在電路中使用光電二極管

現(xiàn)在我們知道什么是光電二極管及其工作原理。讓我們看看如何通過在電路中正確使用光電二極管來使它們?yōu)槟?wù)。所以我們知道光電二極管僅檢測光并在反向偏置時做出反應(yīng)。因此，我們將其置于反向偏置狀態(tài)（與陽極相比，陰極保持較高的電位）。在這種情況下，當(dāng)光線照射在其上時，電流就會流動，但我們更感興趣的是光電二極管上產(chǎn)生的電壓，因為電流太低。因此，我們必須使用另一個電阻器與光電二極管串聯(lián)，形成電壓驅(qū)動器設(shè)置。

在上面的電路中，您可以注意到使用光電二極管和電阻器 R1 的分壓器設(shè)置。這兩個組件之間產(chǎn)生的電壓被饋送到運算放大器的反相輸入端。同時使用電阻R2和R3的另一個分壓器來產(chǎn)生參考電壓，調(diào)節(jié)R3來固定參考電壓。當(dāng)光電二極管中沒有光入射時，沒有電流流動，因此反相輸入端的電壓輸入將接近于零。因此，同相輸入端的電壓將很高，運算放大器的輸出將處于高狀態(tài)。然而，當(dāng)光線照射到光電二極管上時，電流就會流動，結(jié)果 R1 上就會產(chǎn)生電壓。現(xiàn)在反相輸入端的電壓將很高，因此運算放大器的輸出變低。

當(dāng)然，這不是使用光電二極管的唯一方法，但這是光電二極管最常用的電路。

基于光電二極管的火災(zāi)傳感器電路圖

您只需使用面包板上的幾個組件即可構(gòu)建您的第一個光電二極管電路。該電路將感應(yīng)火災(zāi)并發(fā)出警報。

將該電路連接到面包板上，如下圖所示：

當(dāng)紅外光（來自火）照射到反向偏置的光電二極管上時，電流流過它。這會觸發(fā)晶體管的基極端子。先前關(guān)閉的 BC547 打開并開始在其集電極和發(fā)射極端子之間傳導(dǎo)電流。該電流還流過蜂鳴器，產(chǎn)生警報，并觸發(fā) LED 發(fā)光。

除了蜂鳴器發(fā)出的聲音之外，LED 電阻對還可以添加燈光指示。如果您想讓電路保持簡單，請隨意跳過它。