光電二極管：設備、特性和工作原理
最簡單的光電二極管是傳統的半導體二極管，它能夠影響 p-n 結上的光輻射。
在平衡狀態下，當輻射通量完全不存在時，光電二極管的載流子濃度、電勢分佈和能帶圖完全對應於通常的pn結構。
當暴露於垂直於 p-n 結平面方向的輻射時，由於吸收能量大於帶寬的光子，電子-空穴對出現在 n 區。這些電子和空穴稱為光載流子。
在光載流子擴散到 n 區深處的過程中，電子和空穴的主要部分沒有時間重新結合併到達 p-n 結邊界。這裡，光載流子被p—n結的電場分開，空穴進入p區，電子無法克服躍遷場而聚集在p—n結和n區的邊界處。
因此，通過 p-n 結的電流是由於少數載流子-空穴的漂移。光載流子的漂移電流稱為光電流。
光電二極管可以在兩種模式之一下運行——無需外部電源（光發生器模式）或使用外部電源（光電轉換器模式）。
以光發生器模式運行的光電二極管通常用作將太陽能轉換為電能的電源。它們被稱為太陽能電池，是航天器中使用的太陽能電池板的一部分。
矽太陽能電池的效率約為 20%，而薄膜太陽能電池的效率可能要高得多。太陽能電池的重要技術參數是其輸出功率與質量的比值和太陽能電池所佔的面積。這些參數分別達到 200 W/kg 和 1 kW/m2 的值。
當光電二極管在光轉換模式下工作時，電源 E 以阻斷方向連接到電路（圖 1，a）。光電二極管的 I-V 特性的反向分支用於不同的照明水平（圖 1，b）。
米。 1. 光轉換方式開啟光電二極管的方案：a——開關電路，b——光電二極管的I——V特性
負載電阻Rn中的電流和電壓可以由光電二極管的電流-電壓特性和電阻Rn的阻值對應的負載線的交點以圖形方式確定。在沒有照明的情況下，光電二極管以傳統二極管的模式工作。鍺光電二極管的暗電流為 10 — 30 μA，矽光電二極管為 1 — 3 μA。
如果在光電二極管中使用伴隨載流子雪崩倍增的可逆電擊穿，如在半導體齊納二極管中，則光電流和靈敏度將大大增加。
雪崩光電二極管的靈敏度可以比傳統光電二極管高幾個數量級（鍺是 200 - 300 倍，矽是 104 - 106 倍）。
雪崩光電二極管是頻率範圍高達 10 GHz 的高速光伏器件。與傳統光電二極管相比，雪崩光電二極管的缺點是噪聲水平較高。
米。 2. 光敏電阻電路圖（a）、UGO（b）、光敏電阻的能量（c）和電流-電壓特性（d）
除了光電二極管外，還使用了光敏電阻（圖2）、光敏三極管和光晶閘管，它們利用的是內光電效應。它們的典型缺點是慣性大（限制工作頻率 fgr <10 — 16 kHz），這限制了它們的使用。
光電晶體管的設計類似於傳統晶體管，在外殼中有一個窗口，通過該窗口可以照亮基極。 UGO 光電晶體管 — 帶有兩個箭頭指向它的晶體管。
LED 和光電二極管通常成對使用。在這種情況下，它們被放置在一個外殼中，使光電二極管的光敏區域位於 LED 的發射區域的對面。使用成對 LED 光電二極管的半導體器件稱為 光電耦合器 （圖 3）。
米。 3、光耦：1—LED，2—光電二極管
這些設備中的輸入和輸出電路沒有以任何方式電氣連接，因為信號是通過光輻射傳輸的。
波塔波夫洛杉磯