日期：2025-02-26
光敏二極管是一種PIN 結(jié)構(gòu)或p-n 結(jié)。當具有足夠能量的光子撞擊二極管時，就會產(chǎn)生電子-空穴對。這種機制也稱為內(nèi)光電效應(yīng)。如果吸收發(fā)生在結(jié)的耗盡區(qū)或距離該區(qū)一個擴散長度的地方，這些載流子就會被耗盡區(qū)的內(nèi)置電場從結(jié)中掃除。因此，空穴向陽極移動，電子向陰極移動，從而產(chǎn)生光電流。通過光敏二極管的總電流是暗電流(無光時通過的電流)和光電流的總和，因此必須最小化暗電流以最大化器件的靈敏度。[ 2 ]首先，對于給定的光譜分布，光電流與輻照度成線性比例。
光敏二極管一、光電導模式
在光電導模式下，二極管是反向偏置的，即陰極相對于陽極被驅(qū)動為正極。這減少了響應(yīng)時間，因為額外的反向偏置增加了耗盡層的寬度，從而降低了結(jié)的電容并增加了電場區(qū)域，這將導致電子被快速收集。反向偏置還會產(chǎn)生暗電流，而光電流不會發(fā)生太大變化。盡管此模式速度更快，但由于暗電流或雪崩效應(yīng)，光電導模式會產(chǎn)生更多的電子噪聲。[ 4 ]優(yōu)質(zhì) PIN 二極管的漏電流非常低(<1 nA)，以至于典型電路中負載電阻的約翰遜-奈奎斯特噪聲通常占主導地位。
光敏二極管二、數(shù)字信號
P-n 光電二極管的應(yīng)用與其他光電探測器類似，例如光電導體、電荷耦合器件(CCD) 和光電倍增管。它們可用于生成取決于照明的輸出(用于測量的模擬信號)，或改變電路狀態(tài)(用于控制和切換或用于數(shù)字信號處理的數(shù)字信號)。光敏二極管用于消費電子設(shè)備，例如光盤播放器、煙霧探測器、醫(yī)療設(shè)備[ 17 ]以及用于控制電視機、空調(diào)等設(shè)備的紅外遙控設(shè)備的接收器。許多應(yīng)用都可使用光電二極管或光電導體。兩種類型的光電傳感器都可用于光測量(如相機測光儀)或?qū)馑阶龀鲰憫?yīng)(如天黑后打開路燈)。
光敏二極管三、光源反應(yīng)
所有類型的光電傳感器均可用于對入射光或同一電路或系統(tǒng)中的光源作出反應(yīng)。光電二極管通常與光發(fā)射器(通常是發(fā)光二極管(LED))組合成單個組件，用于檢測光束是否存在機械障礙物(開槽光開關(guān))或耦合兩個數(shù)字或模擬電路，同時保持它們之間極高的電氣隔離，通常用于安全(光耦合器)。LED 和光電二極管的組合也用于許多傳感器系統(tǒng)，以根據(jù)產(chǎn)品的光吸收率來表征不同類型的產(chǎn)品。光敏二極管通常用于科學和工業(yè)中光強度的精確測量。它們的響應(yīng)通常比光電導體更線性。它們還廣泛應(yīng)用于各種醫(yī)療應(yīng)用，例如計算機斷層掃描探測器(與閃爍體結(jié)合)、樣品分析儀器(免疫測定)和脈搏血氧儀。PIN 二極管比 p-n 結(jié)二極管更快、更靈敏，因此常用于光通信和照明調(diào)節(jié)。P-n 光敏二極管不用于測量極低的光強度。相反，如果需要高靈敏度，則使用雪崩光敏二極管、增強型電荷耦合器件或光電倍增管，用于天文學、光譜學、夜視設(shè)備和激光測距等應(yīng)用。
光敏二極管四、反向偏置
光敏二極管電路和設(shè)備可在正向偏置和反向偏置下工作。當施加電壓時，正極連接到 p 型，負極連接到 n 型，就會發(fā)生正向偏置。在光電導模式下，光敏二極管以相反方向的反向偏置運行。當將外部電源連接到光電二極管裝置時，就會發(fā)生反向偏置，其中負極在 p 型層，正極在 n 型層。在反向偏置模式下，當電源打開并且光電二極管檢測到光時，n 型層的電子被拉向正極，而 p 型層的空穴被拉向負極。這會導致耗盡層增加，從而降低結(jié)電容，但可以吸收更多光子。正向偏置允許更多的電子和空穴流過 pn 結(jié)，而反向偏置則增加耗盡區(qū)的寬度，使光敏二極管對光更敏感。這意味著正向偏置模式對光的敏感度低于反向偏置模式。因此，正向偏置模式通常用于需要快速響應(yīng)時間的應(yīng)用中。例如，發(fā)光二極管 (LED) 和光學傳感器。
光敏二極管五、正向偏置
光敏二極管特別適用于光檢測和測量，因為它們產(chǎn)生的光電流與入射光的強度成正比。在光伏電池和光傳感器等高速和高靈敏度至關(guān)重要的情況下使用時，它最有好處。簡而言之，正向偏置和反向偏置之間的主要區(qū)別在于，在前者中，提供的電壓使電流能夠自由流過二極管。在后者中，提供的電壓會限制電流的流動。例如，光伏電池可以使用反向偏置功能，使電壓和電流與光照量成正比增加或減少。如果在這種情況下使用正向偏置功能，光照后的增加將呈指數(shù)增長，這意味著對電流和電壓的控制較少。
光敏二極管六、產(chǎn)品應(yīng)用
PN 結(jié)光敏二極管的用途與其他類型的光電探測器相同，可用于光敏電阻、光電耦合器和光電倍增管等設(shè)備。它們可以根據(jù)接收到的光照輸出模擬電信號(例如在測量儀器中)，或在數(shù)字電路中切換不同狀態(tài)(例如控制開關(guān)、數(shù)字信號處理)。光敏二極管還用于消費電子產(chǎn)品，例如 CD 播放器、煙霧探測器以及用于控制電視和空調(diào)的紅外遙控設(shè)備。對于許多應(yīng)用，可以使用光敏二極管或其他光電導材料。它們都可用于測量光，并且經(jīng)常用于相機的光度計、路燈亮度的自動調(diào)節(jié)等。所有類型的光傳感器均可用于檢測突然爆發(fā)的光或檢測同一電路系統(tǒng)內(nèi)的發(fā)光。光敏二極管通常與發(fā)光裝置(通常是發(fā)光二極管)組合以形成通常稱為光耦合元件的模塊。這樣就可以通過分析接收到的光來分析外部機械部件(例如光斬波器)的運動。光電二極管的另一個作用是充當模擬電路和數(shù)字電路之間的中介，以便可以使用光信號將兩個部分耦合，從而可以提高電路的安全性。
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