日期：2025-02-26
光敏二極管是一種PIN 結構或p-n 結。當具有足夠能量的光子撞擊二極管時，就會產生電子-空穴對。這種機制也稱為內光電效應。如果吸收發生在結的耗盡區或距離該區一個擴散長度的地方，這些載流子就會被耗盡區的內置電場從結中掃除。因此，空穴向陽極移動，電子向陰極移動，從而產生光電流。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動為正極。這減少了響應時間，因為額外的反向偏置增加了耗盡層的寬度，從而降低了結的電容并增加了電場區域，這將導致電子被快速收集。反向偏置還會產生暗電流，而光電流不會發生太大變化。盡管此模式速度更快，但由于暗電流或雪崩效應，光電導模式會產生更多的電子噪聲。[ 4 ]優質 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、數字信號
P-n 光電二極管的應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(用于控制和切換或用于數字信號處理的數字信號)。光敏二極管用于消費電子設備，例如光盤播放器、煙霧探測器、醫療設備[ 17 ]以及用于控制電視機、空調等設備的紅外遙控設備的接收器。許多應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)或對光水平做出響應(如天黑后打開路燈)。
光敏二極管三、光源反應
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中的光源作出反應。光電二極管通常與光發射器(通常是發光二極管(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)或耦合兩個數字或模擬電路，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，以根據產品的光吸收率來表征不同類型的產品。光敏二極管通常用于科學和工業中光強度的精確測量。它們的響應通常比光電導體更線性。它們還廣泛應用于各種醫療應用，例如計算機斷層掃描探測器(與閃爍體結合)、樣品分析儀器(免疫測定)和脈搏血氧儀。PIN 二極管比 p-n 結二極管更快、更靈敏，因此常用于光通信和照明調節。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、夜視設備和激光測距等應用。
光敏二極管四、反向偏置
光敏二極管電路和設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，而反向偏置則增加耗盡區的寬度，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時間的應用中。例如，發光二極管 (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增長，這意味著對電流和電壓的控制較少。
光敏二極管六、產品應用
PN 結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備。它們可以根據接收到的光照輸出模擬電信號(例如在測量儀器中)，或在數字電路中切換不同狀態(例如控制開關、數字信號處理)。光敏二極管還用于消費電子產品，例如 CD 播放器、煙霧探測器以及用于控制電視和空調的紅外遙控設備。對于許多應用，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，并且經常用于相機的光度計、路燈亮度的自動調節等。所有類型的光傳感器均可用于檢測突然爆發的光或檢測同一電路系統內的發光。光敏二極管通常與發光裝置(通常是發光二極管)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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