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  • 元器件科普之光电二极管
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1 、简述

光电二极管(英文:photodiode ,中文也称“光敏二极管” )是一种能够将光根据使用方式,转换成电流或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池(硅电池)就是通过大面积的光电二极管来产生电能。光电二极管与常规的半导体二极管基本相似,只是光电二极管可以直接暴露在光源附近或通过透明小窗、光导纤维封装,来允许光到达这种器件的光敏感区域来检测光信号。许多用来设计光电二极管的二极管使用了一个PIN结,而不是一般的PN结,来增加器件对信号的响应速度。光电二极管的电气(原理图)符号和常见实物外观如下图(1)所示:

 

2 、工作原理

如图(2)所示,一个光电二极管的基础结构通常是一个PN结或者PIN结,常常被设计为工作在反向偏置状态。当一个具有充足能量的光子冲击到二极管上,它将激发一个电子,从而产生自由电子(同时有一个带正电的空穴)。这样的机制也被称作是内光电效应。如果光子的吸收发生在结的耗尽层,则该区域的内电场将会消除其间的屏障,使得空穴能够向着阳极的方向运动,电子向着阴极的方向运动,于是光电流就产生了。实际的光电流是暗电流和光照产生电流的综合,因此暗电流必须被最小化来提高器件对光的灵敏度。

 

3、工作曲线&模式

光电二极管是在反向电压作用之下工作的。如下图(3)所示,没有光照时,反向电流很小(一般小于0.1微安),称为暗电流(Dark Current) 。当有光照时,携带能量的光子进入PN结后,把能量传给共价键上的束缚电子,使部分电子挣脱共价键,从而产生电子---空穴对,称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动,使反向电流明显变大,光的强度越大,反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下,所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载,负载上就获得了电信号,而且这个电信号随着光的变化而相应变化。 

光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。 工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。

处于光导模式时,有一个外加的偏压,这是光电二极管的工作基础。 电路中测得的电流代表器件接受到的光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。 外加偏压使得耗尽区的宽度增大,响应度增大,结电容变小,响应度趋向直线。 工作在这些条件下容易产生很大的暗电流,但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。

光伏模式下,光电二极管是零偏置的。 器件的电流流动被限制,形成一个电压。 这种工作模式利用了光伏效应,它是太阳能电池的基础。 当工作在光伏模式时,暗电流最小。 

4 、种类

4.1  PN型光电二极管

特性:优点是暗电流小,一般情况下,响应速度较低。

用途:照度计、彩色传感器、光电三极管、线性图像传感器、分光光度计、照相机曝光计。

4.2  PIN型光电二极管

特性:缺点是暗电流大,因结容量低,故可获得快速响应。

用途:高速光的检测、光通信、光纤、遥控、光电三极管、写字笔、传真。

4.3  发射键型光电二极管

特性:使用Au薄膜与N型半导体结代替P型半导体

用途:主要用于紫外线等短波光的检测

4.4  雪崩型光电二极管

光电二极管雪崩光电二极管具有和常规光电二极管相似的结构,但是需要高得多的反向偏置电压。这将允许光照产生的载流子通过雪崩击穿大量增加,在光电二极管内部产生内部增益,从而进一步改善器件的响应率。

特性:响应速度非常快,因具有倍速作用,故可检测微弱光。

用途:高速光通信、高速光检测

5 、主要参数

光电二极管的一些关键性能参数包括以下几项:

5.1 响应率

如下图所示,响应率定义为光电导模式下产生的光电流与激发光照的比例,单位为安培/瓦特(A/W)。响应特性也可以表达为量子效率),即光照产生的载流子数量与激发光照光子数的比例。 

5.2 暗电流

在光电导模式下,当不接受光照时,通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。暗电流必须预先测量,特别是当光电二极管被用作精密的光功率测量时,暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。

5.3 响应时间

一个光子被半导体材料吸收,将会产生一对电子-空穴对,并在偏压电场的作用下分别向两个相反的方向运动,进而产生电流。电流产生时间受到载流子渡越时间限制,可通过Ramo定理进行估算。同时,光电二极管的电阻(http://www.szlcsc.comcatalog/308.html)和电容与外电流产生另一个时间响应,称为RC时间常数。RC进一步延迟了器件的响应。在光通信系统中,器件的响应时间决定了可接受光信号的调制频率。

5.4 结电容

结电容(Cj)是光电二极管的一个重要性质,对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是,结区面积大的二极管结体积也越大,也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中,结的耗尽区宽度增加,会有效地减小结电容,增大响应速度。

5.5 等效噪声功率

等效噪声功率(英语:Noise-equivalent power, NEP)是指能够产生光电流所需的最小光功率,与1赫兹时的噪声功率均方根值相等。与此相关的一个特性被称作是探测能力(detectivity, D),它等于等效噪声功率的倒数。等效噪声功率大约等于光电二极管的最小可探测输入功率。当光电二极管被用在光通信系统中时,这些参数直接决定了光接收器的灵敏度,即获得指定比特误码率的最小输入功率。

6 、应用(举例)

PN结型光电二极管与其他类型的光探测器一样,在诸如光敏电阻、感光耦合元件以及光电倍增管等设备中有着广泛应用。它们能够根据所受光的照度来输出相应的模拟电信号(例如测量仪器)或者在数字电路的不同状态间切换(例如控制开关、数字信号处理)。

光电二极管在消费电子产品,例如CD播放器、烟雾探测器以及控制电视机、空调的红外线遥控设备中也有应用。对于许多应用产品来说,可以使用光电二极管或者其他光导材料。它们都可以被用于测量光,常常工作在照相机的测光器、路灯亮度自动调节等。

所有类型的光传感器都可以用来检测突发的光照,或者探测同一电路系统内部的发光。光电二极管常常和发光器件(通常是发光二极管)被合并在一起组成一个模块,这个模块常被称为光电耦合元件。如果这样就能通过分析接收到光照的情况来分析外部机械元件的运动情况(例如光斩波器)。光电二极管另外一个作用就是在模拟电路以及数字电路之间充当中介,这样两段电路就可以通过光信号耦合起来,这可以提高电路的安全性。

在科学研究和工业中,光电二极管常常被用来精确测量光强,因为它比其他光导材料具有更良好的线性。

在医疗应用设备中,光电二极管也有着广泛的应用,例如X射线计算机断层成像以及脉搏探测器。

PIN结型光电二极管一般不用来测量很低的光强。如果弱光情况下需要高灵敏度探测器,雪崩光电二极管、感光耦合元件或者光电倍增管就能发挥作用,例如天文学、光谱学、夜视设备、激光测距仪等应用产品。

下面给出一些方案的简易应用图:

6.1 光电二极管做成一个高速光电耦合器 

6.2  障碍物探测  (如寻迹小车)  

 

6.3  玩具枪靶环 ( 激光亮点打中会响 )

6.4  RS232 串口信号的光电隔离 

6.5  激光密码锁 

相比无线电波容易被监听,此方案通过光电技术对锁具进行控制,比如:发射端用激光笔,可实现一个远程、安全的的车库、家居的开锁开门方案。

6.6  光纤通信 

6.7  一维条形码的解码应用 

通过移动导光管(扫描),光电二极管获得条形码的明暗纹的编码数据,通过解码可获得原始数字。

 

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