什么是光电二极管？光电二极管作用和光电二极管类型

光电二极管是将光能转化为电能的关键部件。在太阳能设备或电力系统中起着重要作用，它们越来越多地被用作电子电路的一部分。

对于计划使用这些器件的电路设计师来说，了解光电二极管如何工作以及它们的潜在应用是非常重要的。本指南将解释您需要知道的一切。

什么是光电二极管？

光电二极管是用于将光能转化为电能的半导体器件。也称为光检测器、光传感器或光探测器，由于其特殊的设计和结构，使其能够执行这种功能。

光电二极管基本和重要的部分之一是p-n结。这是两个半导体材料层之间的空间，p型层中有大量空穴，而n型层则充满了电子。虽然有几种类型的光电二极管，但这是该器件设计的一个元素，通常被称为耗尽层。

当设备未检测到光时，在设备内生成的电流非常少（通常接近零）。这被称为光电二极管的“暗电流”，随着器件的灵敏度增加，会减少。

当设备检测到光能时（通常高于设定水平，被称为带隙），会产生新的空穴和电子，在p-n结中产生电流。

在反向偏置的光电二极管中，空穴向阳极移动，电子向阴极移动，在耗尽区域中产生电流。随着光的亮度增加，器件中的电流也会增加。

根据光电二极管的具体要求或设计，该器件可以在光伏模式或光电导模式下运行：

• 光伏模式是指不对器件施加外部电压，这意味着它不会偏置。因此，当光照射到器件上时，电子向阴极移动，空穴向阳极移动，产生耗尽区域的电流。
• 光电导模式是指对器件施加反向偏置电源，增加光电二极管的耗尽区、暗电流和响应速度，同时减少结电容。

设计和结构是光电二极管与光电晶体管之间的主要区别。具体来说，两种器件之间区别主要是：

• 光电晶体管有三层材料，而不是两层，形成两个p-n结。
• 光电二极管只有两个引脚，而光电晶体管最多可以有三个。
• 光电晶体管只能在正向偏置模式下使用，而光电二极管可以在反向偏置下工作。
• 光电晶体管必须连接到电源才能工作，而光电二极管则不需要。
• 光电二极管既产生电流又产生电压，而光电晶体管只产生电流。

这意味着，光电晶体管不是将光转化为电能，而是用作光传感器，适用于烟雾探测器或遥控器等应用。

光电二极管作用是什么？

光电二极管的主要应用是在能源生产系统中作为太阳能电池以及检测光源的亮度。然而，光电二极管器件可以应用于其他特定用途，包括：

• 火灾和烟雾探测器
• 医疗设备，包括分析样品和监测血气的设备
• 精确的光度测量设备
• 光通信
• 像快门和闪光灯之类的相机控制

为什么光电二极管是反向偏置的？

光电二极管电路和器件可以在正向偏置和反向偏置下运行。

当施加电压使正极端子连接到p型，负极端子连接到n型时，就会发生正向偏置。在光电导模式下，光电二极管以相反的方向反向偏置工作。

当将外部电源连接到光电二极管器件时，负极端子在p型层上，正极端子在n型层上，会发生反向偏置。

在反向偏置模式下，当电源开启并且光被光电二极管检测到时，n型层的电子会被吸引到正极，p型层的空穴会朝负极流动。这导致耗尽层增加，减小结电容，从而使更多的光子被吸收。

正向偏置允许更多的电子和空穴流过p-n结，而反向偏置则增加了耗尽区域的宽度，使光电二极管对光更为敏感。

这意味着正向偏置模式对光的敏感性要低于反向偏置模式。因此，正向偏置模式通常用于需要快速响应时间的应用中，例如发光二极管（LED）和光传感器。

反向偏置的光电二极管对于光探测和测量特别有用，因为它们产生的光电流与入射光的强度成正比。它在需要高速和高灵敏度的情况下非常有益，比如光伏电池和光传感器。

简而言之，正向偏置和反向偏置的主要区别在于，在前者中，所施加的电压使得电流可以自由地通过二极管流动。而在后者中，所施加的电压限制了电流的流动。

光电二极管类型

尽管所有类型的光电二极管的基本设计相同，但有一些具有特定结构的特殊器件适用于特定应用。

雪崩光电二极管

如其名称所示，这种光电二极管的结构设计旨在产生大量的电荷载流子。它通过反向偏置时向这些器件提供大功率电源来实现这一点。因此，这些光电二极管具有比其他器件更高的响应水平。

这也意味着使用这些器件有一些缺点，比如噪音大、对温度敏感以及工作带宽的降低。即便如此，雪崩光电二极管仍然被用于光链路系统中。

PN光电二极管

PN光电二极管是这种器件基本的形式。因此，它们作为标准光电二极管运行，只有在暴露于光线时产生电流，不提供电压。然而，尽管它们是很早被创建出来的类型，它们相对较低的性能意味着它们现在很少被使用。

PIN光电二极管

除了标准的p型和n型层外，PIN光电二极管还在结构的中间有固有半导体层。这使得这些器件中的耗尽层比其他光电二极管更宽。这有助于在耗尽层中捕获更多的光子能量，并将其转化为电子空穴对。

这意味着与其他器件相比，PIN光电二极管具有更大的带宽和更快的响应速度。因此，在光纤网络系统、X射线和γ射线检测以及光探测器中经常使用它们。

Schottky光电二极管

在Schottky光电二极管中，金属层（如铝或铂）与n型半导体层结合。它们之间的间隙称为金属-半导体结。这个间隙的大小取决于在这个耗尽区形成的能量屏障的高度。电子必须克服这个障碍才能穿过器件。

如果势垒高度很低，器件被称为“非整流”。如果势垒高度很高，则被称为“整流”。前者对电流的电阻较小，而后者的电阻较高。

这与该器件能够在正向和反向偏置之间切换功能的能力相结合，意味着这些光电二极管在一系列应用中非常有用。这包括快速切换、射频和电源功能等。