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)層之間，存在一個本征層。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器，光電傳感器或光探測器。
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。當光電二極管的表面積增加時，會縮短響應(yīng)時間。很少有光電二極管看起來像發(fā)光二極管 (LED)。它有兩個終端，如下所示。較小的端子用作陰極，較長的端子用作陽極。
光電二極管的符號類似于 LED 的符號，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。
光電二極管原理
光電二極管的工作原理是，當一個能量充足的光子撞擊二極管時，會產(chǎn)生一對電子空穴。這種機制也稱為內(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)置電場從結(jié)中去除。
通常當用光照亮PN結(jié)的時，共價鍵被電離。這會產(chǎn)生空穴和電子對。由于電子-空穴對的產(chǎn)生而產(chǎn)生光電流。當能量超過 1.1eV 的光子撞擊二極管時，就會形成電子空穴對。當光子進入二極管的耗盡區(qū)時，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。
一般來說，電子帶負電荷，空穴帶正電荷。耗盡能量將具有內(nèi)建電場。由于該電場，電子-空穴對遠離PN結(jié)。因此，空穴向陽極移動，電子向陰極移動以產(chǎn)生光電流。
光子吸收強度和光子能量彼此成正比。照片能量越少，吸收越多。這整個過程被稱為內(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。當價帶中的電子被光子激發(fā)到導(dǎo)帶時，就會發(fā)生本征激發(fā)過程。
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。當光電二極管工作在低頻應(yīng)用和超能級光應(yīng)用時，這種模式是首選。當閃光照射光電二極管時，會產(chǎn)生電壓。產(chǎn)生的電壓將具有非常小的動態(tài)范圍，并且具有非線性特性。當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，陽極為負極。當反向電壓增加時，耗盡層的寬度也會增加。因此，響應(yīng)時間和結(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光電產(chǎn)生的電子-空穴對。該結(jié)果是光電二極管的內(nèi)部增益，它會緩慢增加設(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 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，它就會允許一些電流通過它。通過該二極管提供的電流總和可以與通過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。陽極連接到電路地，陰極連接到電路的正電源電壓。當被光照射時，電流從陰極流向陽極。
當光電二極管與外部電路一起使用時，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)動電子設(shè)備。因此，當它們連接到外部電源時，它會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)致對波長的不同響應(yīng)發(fā)生，因為只有具有足夠能量的光子才能在材料的帶隙中激發(fā)電子，才會產(chǎn)生顯著的能量來產(chǎn)生來自光電二極管的電流。
雖然材料的波長敏感性非常重要，但另一個可能對光電二極管性能產(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，并且鍺光電二極管必須用于長于大約 1000 nm 的波長。
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。在標準 PN 結(jié)內(nèi)，這相對較小，但可以通過使用 PIN 二極管來增加面積。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到襯底上，或者它可以包含在襯底本身內(nèi)。
P+擴散層的開發(fā)可以在重摻雜的N型外延層上進行。觸點采用金屬設(shè)計，可制成陽極和陰極等兩個端子。二極管的前部區(qū)域可以分為兩種類型，例如有源表面和無源表面。
非活性表面的設(shè)計可以用二氧化硅 (SiO2) 完成。在活動表面上，光線可以照射在其上，而在非活動表面上，光線不能照射。通過抗反射材料覆蓋活性表面，使光的能量不會損失，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本征層。實現(xiàn)這一點的最有效方法之一是將電觸點放置在設(shè)備的側(cè)面，如圖所示。這使得最大量的光能夠到達有效區(qū)域。發(fā)現(xiàn)由于襯底是重摻雜的，由于這不是有源區(qū)，因此幾乎沒有光損失。
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。任何超過此厚度的增加都會降低操作速度——這是許多應(yīng)用中的一個重要因素，并且不會大大提高效率。
也可以讓光從結(jié)的一側(cè)進入光電二極管。通過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，使其對光透明。
作為一個不太標準的過程，它的實施成本更高，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極之間的光電二極管電壓恒定時，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之間的關(guān)系稱為光譜特性。光子能量與光波長有關(guān)：波長越長，光子能量越小;波長越短，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關(guān)，其電路如下圖所示。當沒有光時，光電二極管VD1由于反向電壓而截止。晶體管VT1和VT2也因無基極電流而截止。繼電器處于釋放狀態(tài)。
當光在 VD1 上發(fā)射時，它從截止過渡到導(dǎo)通。于是，VT1、VT2依次導(dǎo)通，繼電器K吸合，接通控制電路。
2、光信號接收
光電二極管可用于接收光信號。下圖為光信號接收放大光電二極管電路。光信號由光電二極管VD接收，經(jīng)VT放大，通過耦合電容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)上是一個大面積的PN結(jié)。當光在一個 PN 結(jié)表面上發(fā)射時，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)中的每個光子都會產(chǎn)生一個自由電子-空穴對。
電子-空穴對迅速向內(nèi)擴散，并在結(jié)電場下形成與光強相關(guān)的電動勢。
這時候，如果我們把它作為電源，連接到外部電路，只要有光，它就會持續(xù)供電，這就是光電池。換句話說，光電池是一種沒有偏置電壓的PN結(jié)光電器件。它可以直接將光能轉(zhuǎn)化為電能。
2、太陽能電池
太陽能電池是一種半導(dǎo)體器件。當陽光照射到半導(dǎo)體上時，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)體的價電子碰撞，從而產(chǎn)生電子-空穴對。這樣，光能就轉(zhuǎn)化為電能。
因此，在太陽光照射后，太陽能電池的兩端會產(chǎn)生直流電壓，從而將太陽光能量直接轉(zhuǎn)化為直流電流。如果我們將金屬引線焊接到 P 層和 N 層，并連接負載，電流將流過外部電路。
這樣，如果我們把光電管串并聯(lián)起來，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)是利用太陽能電池將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電系統(tǒng)。它利用光伏效應(yīng)。
主要部件是太陽能電池、蓄電池、控制器和逆變器。可靠性高、使用壽命長、無污染、獨立發(fā)電、光電二極管并網(wǎng)運行。
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，工作點變化較快。有獨立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。
(1) 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)
獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種不接入電網(wǎng)的發(fā)電方式。它需要電池來為夜間儲存能量。獨立太陽能光伏發(fā)電主要用于偏遠村莊和家庭。
(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)和太陽能農(nóng)場。
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度成正比，因此也用于測量光的強度。
可以使用煙霧探測器中的光電二極管來感知煙霧和火災(zāi)。
光電二極管與led配合制作光隔離器和光耦合器
在太陽能電池板中用作太陽能電池
用于條碼掃描器、字符識別
用于障礙物檢測系統(tǒng)，
可在打印機中用作頁面存在和頁面計數(shù)器
用于接近檢測、血氧計
位置傳感器
光電二極管選型參數(shù)
有四個主要參數(shù)用于選擇正確的光電二極管以及是否對光電二極管進行反向偏置。
1、暗電流
在光電導(dǎo)模式下，當沒有光時，通過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。必須提前測量。特別是在精密光功率測量中，必須仔細考慮和糾正暗電流引起的誤差。
2、光電二極管響應(yīng)時間
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 時噪聲功率的 RMS。它大約等于光電二極管的最小可檢測輸入功率。一個相關(guān)的屬性是檢測率 (D)，它是噪聲等效功率的倒數(shù)。
4、頻率響應(yīng)特性
主要由三個因素決定：
(1)耗盡層附近光生載流子的擴散時間;
(2) 耗盡層中光生載流子的漂移時間;
(3)由負載電阻和并聯(lián)電容決定的電路時間常數(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。在采購光電二極管時，需要仔細考慮。
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別的靈敏度以及不同的速度和暗電流。例如，硅對約 400 到 1000 nm 的波長提供靈敏度。然而，它在較高波長(~900 nm)下具有最高的靈敏度。
另一方面，鍺對約 800 至 1600 nm 之間的波長(峰值約 1400 nm)提供靈敏度。
光電二極管怎么測好壞?
1、電阻測量方法
使用萬用表的“1k”來測試光電二極管。光電二極管的正向電阻約為 10KΩ 。
無光時，若測得的反向電阻為∞ ，則說明二極管良好，或漏電流較大。
有光照時，反向電阻隨光照強度的增加而減小。如果電阻可以達到幾kΩ ;或低于1k Ω，二極管是好的;如果反向電阻為∞或為零，則二極管已損壞。
2、電壓測量方法
使用萬用表的“1V”檔。將紅色表筆接到光電二極管的正極，黑色表筆接到負極。在光照下，電壓與光照強度成正比，一般可達0.2V-0.4V。
3、短路電流測量方法
使用萬用表的“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。短路電流可達數(shù)十至數(shù)百μA。
有時，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 管芯下方有一個淺板，但沒有光電二極管管芯。
如果它是一個小型光電二極管或者它是用黑色樹脂包裝的，您可以使用萬用表(設(shè)置為 1k 檔)測量電阻。
首先，確保二極管沒有暴露在光線下。如果測得的正向電阻為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