什么是光電二極管？

光電二極管是一種特殊的半導(dǎo)體器件，其作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電二極管的核心部分是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，它對(duì)光的變化非常敏感，具有單向?qū)щ娦浴?/p>

光電二極管在反向電壓的作用下工作。當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，反向電流非常小，被稱(chēng)為暗電流，此時(shí)光電二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。然而，當(dāng)有光照時(shí)，反向電流會(huì)迅速增大，形成光電流，這個(gè)光電流的大小會(huì)隨著入射光強(qiáng)度的變化而變化。這種特性被稱(chēng)為“光電導(dǎo)”。

光電二極管具有高靈敏度、快速響應(yīng)和低噪聲等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于光電測(cè)量、通訊、自動(dòng)控制和光纖傳輸?shù)阮I(lǐng)域。此外，光電二極管還可以用于制作光電傳感器、光電探測(cè)器或光探測(cè)器。

光電二極管與普通的半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類(lèi)似的，都由一個(gè)PN結(jié)組成，具有單向?qū)щ娦?。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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光電器件。

總的來(lái)說(shuō)，光電二極管是一種重要的光電器件，它將光能轉(zhuǎn)化為電能，為各種應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

光電二極管的工作原理

當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，由于熱產(chǎn)生的空穴和電子作為少數(shù)載流子掃過(guò)結(jié)，因此會(huì)產(chǎn)生反向飽和電流。隨著結(jié)溫度的升高，產(chǎn)生越來(lái)越多的空穴電子對(duì)，因此反向飽和電流I0.增加。通過(guò)照亮連接處也可以達(dá)到相同的效果。當(dāng)光能轟擊PN結(jié)時(shí)，它會(huì)驅(qū)逐價(jià)電子。照射結(jié)點(diǎn)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(chǎn)生越來(lái)越多的電荷載流子。暗電流是沒(méi)有光入射時(shí)存在的電流。這里要注意的是，僅當(dāng)施加的正偏壓等于V0時(shí)電流才變?yōu)榱?。?duì)于相同的光通量增量，曲線(xiàn)之間幾乎相等的間距表明反向飽和電流I0隨光通量線(xiàn)性增加。反向電壓的增加不會(huì)顯著增加反向電流，因?yàn)樗锌捎玫碾姾奢d流子已經(jīng)掃過(guò)結(jié)。為了將反向飽和電流I0減小到零，需要將結(jié)正向偏置等于勢(shì)壘電勢(shì)的量。因此光電二極管可以用作 光電導(dǎo)器件 。

在去除施加在光電二極管上的反向偏壓后，少數(shù)電荷載流子繼續(xù)掃過(guò)結(jié)，同時(shí)二極管被照亮。這具有增加P側(cè)空穴濃度和N側(cè)電子濃度的效果。但勢(shì)壘電位在 P 側(cè)為負(fù)，在 N 側(cè)為正，是由在結(jié)制造過(guò)程中從 P 側(cè)流向 N 側(cè)的空穴和從 N 側(cè)流向 P 側(cè)的電子產(chǎn)生的。因此，少數(shù)載流子的流動(dòng)往往會(huì)降低勢(shì)壘電勢(shì)。

當(dāng)外部電路跨接在二極管端子上時(shí)，少數(shù)載流子通過(guò)外部電路返回到原來(lái)的一側(cè)。從 P 側(cè)穿過(guò)結(jié)點(diǎn)到 N 側(cè)的電子現(xiàn)在通過(guò) N 端流出并進(jìn)入 P 端。這意味著該器件表現(xiàn)為電壓?jiǎn)卧?，N 側(cè)為負(fù)極端子，P 側(cè)為正極端子。因此，光電二極管既是光電器件又是 光電導(dǎo)器件 。當(dāng)該器件在反向偏壓下工作時(shí)，它作為光電導(dǎo)器件工作，而當(dāng)在沒(méi)有反向偏壓的情況下工作時(shí)，它作為光伏??器件工作。由于該器件的上升和下降時(shí)間（狀態(tài)變化參數(shù)）非常?。{秒范圍內(nèi)），因此可用于高速計(jì)數(shù)或開(kāi)關(guān)應(yīng)用。

光電二極管的光靈敏度比硫化鎘LDR低得多，但對(duì)光水平的響應(yīng)速度相當(dāng)快。一般來(lái)說(shuō)，LDR非常適合用于慢作用直接耦合光級(jí)傳感應(yīng)用，而光電二極管則非常適合用于快速作用交流耦合信號(hào)應(yīng)用。

在電路中使用光電二極管

現(xiàn)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(guò)在電路中正確使用光電二極管來(lái)使它們?yōu)槟?wù)。所以我們知道光電二極管僅檢測(cè)光并在反向偏置時(shí)做出反應(yīng)。因此，我們將其置于反向偏置狀態(tài)（與陽(yáng)極相比，陰極保持較高的電位）。在這種情況下，當(dāng)光線(xiàn)照射在其上時(shí)，電流就會(huì)流動(dòng)，但我們更感興趣的是光電二極管上產(chǎn)生的電壓，因?yàn)殡娏魈汀Ｒ虼?，我們必須使用另一個(gè)電阻器與光電二極管串聯(lián)，形成電壓驅(qū)動(dòng)器設(shè)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(shè)置。這兩個(gè)組件之間產(chǎn)生的電壓被饋送到運(yùn)算放大器的反相輸入端。同時(shí)使用電阻R2和R3的另一個(gè)分壓器來(lái)產(chǎn)生參考電壓，調(diào)節(jié)R3來(lái)固定參考電壓。當(dāng)光電二極管中沒(méi)有光入射時(shí)，沒(méi)有電流流動(dòng)，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(yùn)算放大器的輸出將處于高狀態(tài)。然而，當(dāng)光線(xiàn)照射到光電二極管上時(shí)，電流就會(huì)流動(dòng)，結(jié)果 R1 上就會(huì)產(chǎn)生電壓。現(xiàn)在反相輸入端的電壓將很高，因此運(yùn)算放大器的輸出變低。

當(dāng)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(zāi)傳感器電路圖

您只需使用面包板上的幾個(gè)組件即可構(gòu)建您的第一個(gè)光電二極管電路。該電路將感應(yīng)火災(zāi)并發(fā)出警報(bào)。

將該電路連接到面包板上，如下圖所示：

當(dāng)紅外光（來(lái)自火）照射到反向偏置的光電二極管上時(shí)，電流流過(guò)它。這會(huì)觸發(fā)晶體管的基極端子。先前關(guān)閉的 BC547 打開(kāi)并開(kāi)始在其集電極和發(fā)射極端子之間傳導(dǎo)電流。該電流還流過(guò)蜂鳴器，產(chǎn)生警報(bào)，并觸發(fā) LED 發(fā)光。

除了蜂鳴器發(fā)出的聲音之外，LED 電阻對(duì)還可以添加燈光指示。如果您想讓電路保持簡(jiǎn)單，請(qǐng)隨意跳過(guò)它。