什么是光電二極管？光電二極管的工作原理

什么是光電二極管？

光電二極管是一種特殊的半導體器件，其作用是將光信號轉換成電信號。光電二極管的核心部分是一個具有光敏特征的PN結，它對光的變化非常敏感，具有單向導電性。

光電二極管在反向電壓的作用下工作。當沒有光照時，反向電流非常小，被稱為暗電流，此時光電二極管處于截止狀態。然而，當有光照時，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”。

光電二極管具有高靈敏度、快速響應和低噪聲等特點，因此被廣泛應用于光電測量、通訊、自動控制和光纖傳輸等領域。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體二極管在結構上是類似的，都由一個PN結組成，具有單向導電性。然而，普通二極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，它將光能轉化為電能，為各種應用提供了基礎。

光電二極管的工作原理

當PN結反向偏置時，由于熱產生的空穴和電子作為少數載流子掃過結，因此會產生反向飽和電流。隨著結溫度的升高，產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。當光能轟擊PN結時，它會驅逐價電子。照射結點的光越多，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，僅當施加的正偏壓等于V0時電流才變為零。對于相同的光通量增量，曲線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掃過結。為了將反向飽和電流I0減小到零，需要將結正向偏置等于勢壘電勢的量。因此光電二極管可以用作 光電導器件 。

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

當外部電路跨接在二極管端子上時，少數載流子通過外部電路返回到原來的一側。從 P 側穿過結點到 N 側的電子現在通過 N 端流出并進入 P 端。這意味著該器件表現為電壓單元，N 側為負極端子，P 側為正極端子。因此，光電二極管既是光電器件又是 光電導器件 。當該器件在反向偏壓下工作時，它作為光電導器件工作，而當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（狀態變化參數）非常?。{秒范圍內），因此可用于高速計數或開關應用。

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

在電路中使用光電二極管

現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為您服務。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。因此，我們將其置于反向偏置狀態（與陽極相比，陰極保持較高的電位）。在這種情況下，當光線照射在其上時，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，形成電壓驅動器設置。

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 的分壓器設置。這兩個組件之間產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生參考電壓，調節R3來固定參考電壓。當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。然而，當光線照射到光電二極管上時，電流就會流動，結果 R1 上就會產生電壓?，F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傳感器電路圖

您只需使用面包板上的幾個組件即可構建您的第一個光電二極管電路。該電路將感應火災并發出警報。

將該電路連接到面包板上，如下圖所示：

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

除了蜂鳴器發出的聲音之外，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。