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光電二極體和普通二極體一樣,也是由一個PN結組成的半導體器件,也具有單方嚮導電特性。但是,在電路中不是用它作整流元件,而是通過它把光信號轉換成電信號。

1 光電二極體 -簡介

原理

  普通二極體在反向電壓作用時處於截止狀態,只能流過微弱的反向電流,光電二極體在設計和製作時盡量使PN結的面積相對較大,以便接收入射光。光電二極體是在反向電壓作用下工作的,沒有光照時,反向電流極其微弱,叫暗電流;有光照時,反向電流迅速增大到幾十微安,稱為光電流。光的強度越大,反向電流也越大。光的變化引起光電二極體電流變化,這就可以把光信號轉換成電信號,成為光電感測器件。檢測方法

  ①電阻測量法
  用萬用表1k擋。光電二極體正向電阻約10kΩ左右。在無光照情況下,反向電阻為∞時,這管子是好的(反向電阻不是∞時說明漏電流大);有光照時,反向電阻隨光照強度增加而減小,阻值可達到幾kΩ或1kΩ以下,則管子是好的;若反向電阻都是∞或為零,則管子是壞的。
  ②電壓測量法
  用萬用表1V檔。用紅表筆接光電二極體「+」極,黑表筆接「—」極,在光照下,其電壓與光照強度成比例,一般可達0.2—0.4V。
  ③短路電流測量法
  用萬用表50μA檔。用紅表筆接光電二極體「+」極,黑表筆接「—」極,在白熾燈下(不能用日光燈),隨著光照增強,其電流增加是好的,短路電流可達數十至數百μA。
  在實際工作中,有時需要區別是紅外發光二極體,還是紅外光電二極體(或者是光電三極體)。其方法是:若管子都是透明樹脂封裝,則可以從管芯安裝外來區別。紅外發光二極體管芯下有一個淺盤,而光電二極體和光電三極體則沒有;若管子尺寸過小或黑色樹脂封裝的,則可用萬用表(置1k擋) 來測量電阻。用手捏住管子(不讓管子受光照),正向電阻為20-40kΩ,而反向電阻大於200kΩ的是紅外發光二極體;正反向電阻都接近∞的是光電三極體;正向電阻在10k左右,反向電阻接近∞的是光電二極體。 主要技術參數

  1.最高反向工作電壓;
  2.暗電流;
  dark current 也稱無照電流 光電耦合器的輸出特性是指在一定的發光電流IF下,光敏管所加偏置電壓VCE與輸出電流IC之間的關係,當IF=0時,發光二極體不發光,此時的光敏晶體管集電極輸出電流稱為暗電流,一般很小。 此外在生理學方面,是指在無光照時視網膜視桿細胞的外段膜上有相當數量的Na離子通道處於開放狀態,故Na離子進入細胞內,形成一個從外段流向內段的電流,稱為暗電流(dark current)。 暗電流是指器件在反偏壓條件下,沒有入射光時產生的反向直流電流.(它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴散形成的本徵暗電流.) 所謂暗電流指的是光伏電池在無光照時,由外電壓作用下P-N結內流過的單向電流。 光電倍增管在無輻射作用下的陽極輸出電流稱為暗電流
  3.光電流;
  4.靈敏度;
  5.結電容;
  6.正向壓降;
  7.響應度
  響應度是光生電流與產生該事件光功率的比。工作於光導模式時的典型表達為A/W。響應度也常用量子效率表示,即光生載流子與引起事件光子的比。
  8.雜訊等效功率
  雜訊等效功率(NEP)等效於1赫茲帶寬內均方根雜訊電流所需的最小輸入輻射功率,是光電二極體最小可探測的輸入功率。
  9.頻率響應特性
  光電二極體的頻率特性響應主要由3個因素決定:
  a.光生載流子在耗盡層附近的擴散時間;
  b.光生載流子在耗盡層內的漂移時間;
  c.負載電阻與並聯電容所決定的電路時間常數。
  光電二極體與光電倍增管相比,具有電流線性良好、成本低、體積小、重量輕、壽命長、量子效率高(典型值為80%)及無需高電壓等優點,且頻率特效好,適宜於快速變化的光信號探測。不足是面積小、無內部增益(雪崩光電管的增益可達100~1000,光電倍增管的增益則可達100000000)、靈敏度較低(只有特別設計后才能進行光子計數)以及相應時間慢,且工藝要求很高。
  光電二極體和一般的半導體二極體相似,可以暴露(探測真空紫外)或用窗口封裝或由光纖連接來感光。

2 光電二極體 -種類、特性與用途

PN型

  特性:優點是暗電流小,一般情況下,響應速度較低。
  用途:照度計、彩色感測器、光電三極體、線性圖像感測器、分光光度計、照相機曝光計。PIN型

  特性:缺點是暗電流大,因結容量低,故可獲得快速響應
  用途:高速光的檢測、光通信、光纖、遙控、光電三極體、寫字筆、傳真發射鍵型

  特性:使用Au薄膜與N型半導體結代替P型半導體
  用途:主要用於紫外線等短波光的檢測雪崩型

  特性:響應速度非常快,因具有倍速做用,故可檢測微弱光
  用途:高速光通信、高速光檢測

3 光電二極體 -工作原理

  光電二極體是將光信號變成電信號的半導體器件。它的核心部分也是一個PN結,和普通二極體相比,在結構上不同的是,為了便於接受入射光照,PN結面積盡量做的大一些,電極面積盡量小些,而且PN結的結深很淺,一般小於1微米。
  光電二極體是在反向電壓作用之下工作的。沒有光照時,反向電流很小(一般小於0.1微安),稱為暗電流。當有光照時,攜帶能量的光子進入PN結后,把能量傳給共價鍵上的束縛電子,使部分電子掙脫共價鍵,從而產生電子---空穴對,稱為光生載流子。
  它們在反向電壓作用下參加漂移運動,使反向電流明顯變大,光的強度越大,反向電流也越大。這種特性稱為「光電導」。光電二極體在一般照度的光線照射下,所產生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負載,負載上就獲得了電信號,而且這個電信號隨著光的變化而相應變化。
  光電二極體、光電三極體是電子電路中廣泛採用的光敏器件。光電二極體和普通二極體一樣具有一個PN結,不同之處是在光電二極體的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射,實現光電轉換,在電路圖中文字元號一般為VD。光電三極體除具有光電轉換的功能外,還具有放大功能,在電路圖中文字元號一般為VT。光電三極體因輸入信號為光信號,所以通常只有集電極和發射極兩個引腳線。同光電二極體一樣,光電三極體外殼也有一個透明窗口,以接收光線照射。
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