光电二极管应用

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简介

光电二极管通常被认为是一种半导体器件，它能够吸收光能以产生电流。

出于这个特定原因，此类器件通常有不同的名称，例如光传感器或光电探测器。开发此类应用的主要目的是在反向偏置条件下使用它们。

基于此概念，本教程旨在纳入有关光电二极管类型和应用的信息，同时解释其优点和缺点。

什么是光电二极管？

从一个非常基本的角度来看，光电二极管可以被定义为具有 PN 结、消耗光或光子能量并能够将这种光能转换为电流的二极管。由于这些器件的主要作用是吸收光或光能，因此它们被制造成对光敏感，这使光电二极管能够轻松地将光能转换为电能 (Elprocus.com, 2022)。

光电二极管应用的最佳示例之一是太阳能电池，因为它们被制造为将太阳能或光能转换为电能。

光电二极管的结构

图 1：光电二极管的结构

光电二极管的构造采用两种类型的半导体，即 N 型和 P 型。

对轻掺的 P 型衬底进行扩散，形成 P 型材料。这种扩散方法有助于形成 P+ 离子层。

外延 N 型层是为 N 型衬底（Elprocus，2022）生长的。在 N 型重掺杂外延层上，形成 P+ 扩散层。触点由金属制成，用作阳极和阴极。二极管的前部分为非活动表面和活动表面。非活动表面由二氧化硅设计而成。

光电二极管的类型

在技术上，由于器件提供不同的特性，因此使用了多种类型的光电二极管。光电二极管的类型如下

PN 光电二极管

图 2：PN 光电二极管

这个版本被认为是光电二极管的第一个开发形式。由于是第一个模式，因此它的性能与其他版本展示的不一样。出于这个特殊原因，目前，这种类型的光电二极管的应用或使用少于其他形式的光电二极管。

PIN 光电二极管

图 3：PIN 光电二极管

这种形式的光电二极管是当今使用最广泛的光电二极管形式。与标准 PN 光电二极管相比，这种形式在吸收光子方面显示出更高的效率（Physics-and-radio-electronics，2022）。在两个区域 P 和 N 之间提供的宽本征区允许收集更多光。

雪崩光电二极管

这种光电二极管通常用于光照强度相对较低的情况，因为这些形式具有很高的增益。除了具有很高的收集功率外，该器件还会产生很大的噪声。出于这个特殊原因，该版本没有被广泛使用或用于任何用途。

光电二极管符号

图 4：光电二极管符号

光电二极管的符号通常是利用基本二极管的符号开发的，其中添加了两个指向器件的箭头。添加的两个箭头是指示光线照射器件方向的符号（Etechnog，2022）。

上图展示了与发光二极管结构相似的光电二极管符号，其中可以发现一个区别，即箭头指向相反的方向。

光电二极管的应用

光电二极管的主要应用是将光子或光能转换成电流。基于这个基本目的，其他应用如下：光电二极管对光照射响应呈线性，因此具有简单的日常应用。光电二极管的另一个应用是在检测电路中（Aslan 等，2019）。为了提供电子隔离，该技术用于帮助选择耦合器。此外，对于光的强度精确测量，使用了光电二极管。它还具有其他医疗应用和逻辑电路。

光电二极管的优点

光电二极管提供的一大优势是频率响应更优。除此之外，光电二极管还提供更好的光谱响应和线性度。为了实现激光脉冲整形，光电二极管被认为是最合适的仪器之一（Electronics-notes，2022）。此设备可以在高达 1 MHz 的高频水平下工作。此外，一般来说光电二极管的形式由于对光的高度灵敏性作为可变电阻器件使用。绝大多数形式的这种设备具有更低的噪声，同时还具有更快速光电导体的技术优势。

光电二极管缺点

与光电二极管提供的优势相比，光电二极管存在的一些缺点显得微不足道。此设备在与温度相关时暗电流会迅速增加。造成这种情况的另一个原因是这些设备允许的有效面积较小。此外，它还有一项技术要求，即在低辐照度条件下应用时需要进行偏移电压。

结论

本教程主要介绍关于光电二极管的信息说明，以及光电二极管在当今时代拥有的各种应用。本教程还纳入了进一步的信息来证明：光电二极管可分为三種類型。除了对所有三种类型的光电二极管进行说明，本教程还重点阐述了光电二极管的构建方法。在此部分中，已经看到了光电二极管的构建是通过遵循反向偏置条件方式进行的，这意味着光电二极管的 p 端连接到电池的负极，而 n 端连接到正极。

常见问题

Q1. 光电二极管的工作原理是什么？

光电二极管工作的主要原理是光电效应原理。此电路的工作原理表明，在两个半导体端子交汇的结点上出现照明时，此时该点便开始流动电流。

Q2. LED 和光电二极管之间有什么区别？

用于 LED 和光电二极管的技术是互为反向的。LED 能够在带电载流子的帮助下发光，而光电二极管具有通过吸收光子或在光子存在的情况下生成电流的能力。简单来说，LED 可以将电流转换为光能，而光电二极管的主要目的是将光能转换为电流。

Q3. 光电二极管会发光吗？

直接带隙光电二极管通常会发光。通过直接加载，可以进行光亮度的调制。通过测量在 III-V 结上带隙能级之上的光亮度，可以产生载流子。

Q4. 太阳能电池属于光电二极管吗？

由于太阳能电池可以将光子转换为电流，因此太阳能电池被认为是大面积光电二极管。

参考文献

期刊

Aslan, N., Koç, M. M., Dere, A., Arif, B., Erkovan, M., Al-Sehemi, A. G., ... & Yakuphanoglu, F. (2018). 用于光电应用的 Ti 掺杂无定形碳 (Al/Ti-a: C/p-Si/Al) 光电二极管。分子结构杂志，1155，813-818。摘自：https://pure.port.ac.uk

网站

电子学-说明.网, 2022. 光电二极管技术. 摘自：https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/diode/photodiode-detector-technology.php [检索于 2022 年 6 月 8 日]

Elprocus.com，（2022）。什么叫光电二极管：工作原理及特性。摘自：https://www.elprocus.com/photodiode-working-principle-applications/ [检索于 2022 年 6 月 8 日]

依特诺格.com，2022。光电二极管符号、图示、电路、特性。摘自：https://www.etechnog.com/2021/06/photodiode-symbol-diagram-circuit.html [检索于 2022 年 6 月 8 日]

物理-和-射频电子学.com，（2022）。光电二极管。摘自：https://www.physics-and-radio-electronics.com [检索于 2022 年 6 月 8 日]