什么是光电二极管？光电二极管的工作原理

什么是光电二极管？

光电二极管是一种特殊的半导体器件，其作用是将光信号转换成电信号。光电二极管的核心部分是一个具有光敏特征的PN结，它对光的变化非常敏感，具有单向导电性。

光电二极管在反向电压的作用下工作。当没有光照时，反向电流非常小，被称为暗电流，此时光电二极管处于截止状态。然而，当有光照时，反向电流会迅速增大，形成光电流，这个光电流的大小会随着入射光强度的变化而变化。这种特性被称为“光电导”。

光电二极管具有高灵敏度、快速响应和低噪声等特点，因此被广泛应用于光电测量、通讯、自动控制和光纤传输等领域。此外，光电二极管还可以用于制作光电传感器、光电探测器或光探测器。

光电二极管与普通的半导体二极管在结构上是类似的，都由一个PN结组成，具有单向导电性。然而，普通二极管在电路中主要作为整流元件，而光电二极管则是将光信号转换为电信号的光电器件。

总的来说，光电二极管是一种重要的光电器件，它将光能转化为电能，为各种应用提供了基础。

光电二极管的工作原理

当PN结反向偏置时，由于热产生的空穴和电子作为少数载流子扫过结，因此会产生反向饱和电流。随着结温度的升高，产生越来越多的空穴电子对，因此反向饱和电流I0.增加。通过照亮连接处也可以达到相同的效果。当光能轰击PN结时，它会驱逐价电子。照射结点的光越多，二极管中的反向电流就越大。这是由于随着光照水平的增加，产生越来越多的电荷载流子。暗电流是没有光入射时存在的电流。这里要注意的是，仅当施加的正偏压等于V0时电流才变为零。对于相同的光通量增量，曲线之间几乎相等的间距表明反向饱和电流I0随光通量线性增加。反向电压的增加不会显着增加反向电流，因为所有可用的电荷载流子已经扫过结。为了将反向饱和电流I0减小到零，需要将结正向偏置等于势垒电势的量。因此光电二极管可以用作 光电导器件 。

在去除施加在光电二极管上的反向偏压后，少数电荷载流子继续扫过结，同时二极管被照亮。这具有增加P侧空穴浓度和N侧电子浓度的效果。但势垒电位在 P 侧为负，在 N 侧为正，是由在结制造过程中从 P 侧流向 N 侧的空穴和从 N 侧流向 P 侧的电子产生的。因此，少数载流子的流动往往会降低势垒电势。

当外部电路跨接在二极管端子上时，少数载流子通过外部电路返回到原来的一侧。从 P 侧穿过结点到 N 侧的电子现在通过 N 端流出并进入 P 端。这意味着该器件表现为电压单元，N 侧为负极端子，P 侧为正极端子。因此，光电二极管既是光电器件又是 光电导器件 。当该器件在反向偏压下工作时，它作为光电导器件工作，而当在没有反向偏压的情况下工作时，它作为光伏​​器件工作。由于该器件的上升和下降时间（状态变化参数）非常小（纳秒范围内），因此可用于高速计数或开关应用。

光电二极管的光灵敏度比硫化镉LDR低得多，但对光水平的响应速度相当快。一般来说，LDR非常适合用于慢作用直接耦合光级传感应用，而光电二极管则非常适合用于快速作用交流耦合信号应用。

在电路中使用光电二极管

现在我们知道什么是光电二极管及其工作原理。让我们看看如何通过在电路中正确使用光电二极管来使它们为您服务。所以我们知道光电二极管仅检测光并在反向偏置时做出反应。因此，我们将其置于反向偏置状态（与阳极相比，阴极保持较高的电位）。在这种情况下，当光线照射在其上时，电流就会流动，但我们更感兴趣的是光电二极管上产生的电压，因为电流太低。因此，我们必须使用另一个电阻器与光电二极管串联，形成电压驱动器设置。

在上面的电路中，您可以注意到使用光电二极管和电阻器 R1 的分压器设置。这两个组件之间产生的电压被馈送到运算放大器的反相输入端。同时使用电阻R2和R3的另一个分压器来产生参考电压，调节R3来固定参考电压。当光电二极管中没有光入射时，没有电流流动，因此反相输入端的电压输入将接近于零。因此，同相输入端的电压将很高，运算放大器的输出将处于高状态。然而，当光线照射到光电二极管上时，电流就会流动，结果 R1 上就会产生电压。现在反相输入端的电压将很高，因此运算放大器的输出变低。

当然，这不是使用光电二极管的唯一方法，但这是光电二极管最常用的电路。

基于光电二极管的火灾传感器电路图

您只需使用面包板上的几个组件即可构建您的第一个光电二极管电路。该电路将感应火灾并发出警报。

将该电路连接到面包板上，如下图所示：

当红外光（来自火）照射到反向偏置的光电二极管上时，电流流过它。这会触发晶体管的基极端子。先前关闭的 BC547 打开并开始在其集电极和发射极端子之间传导电流。该电流还流过蜂鸣器，产生警报，并触发 LED 发光。

除了蜂鸣器发出的声音之外，LED 电阻对还可以添加灯光指示。如果您想让电路保持简单，请随意跳过它。