光電二極體應用

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簡介

光電二極體通常被認為是一種半導體器件，它能夠吸收光能以產生電流。

出於這個特定原因，此類器件通常有不同的名稱，例如光感測器或光電探測器。開發此類應用的主要目的是在反向偏置條件下使用它們。

基於此概念，本教程旨在納入有關光電二極體型別和應用的資訊，同時解釋其優點和缺點。

什麼是光電二極體？

從一個非常基本的角度來看，光電二極體可以被定義為具有 PN 結、消耗光或光子能量並能夠將這種光能轉換為電流的二極體。由於這些器件的主要作用是吸收光或光能，因此它們被製造成對光敏感，這使光電二極體能夠輕鬆地將光能轉換為電能 (Elprocus.com, 2022)。

光電二極體應用的最佳示例之一是太陽能電池，因為它們被製造為將太陽能或光能轉換為電能。

光電二極體的結構

圖 1：光電二極體的結構

光電二極體的構造採用兩種型別的半導體，即 N 型和 P 型。

對輕摻的 P 型襯底進行擴散，形成 P 型材料。這種擴散方法有助於形成 P+ 離子層。

外延 N 型層是為 N 型襯底（Elprocus，2022）生長的。在 N 型重摻雜外延層上，形成 P+ 擴散層。觸點由金屬製成，用作陽極和陰極。二極體的前部分為非活動表面和活動表面。非活動表面由二氧化矽設計而成。

光電二極體的型別

在技術上，由於器件提供不同的特性，因此使用了多種型別的光電二極體。光電二極體的型別如下

PN 光電二極體

圖 2：PN 光電二極體

這個版本被認為是光電二極體的第一個開發形式。由於是第一個模式，因此它的效能與其他版本展示的不一樣。出於這個特殊原因，目前，這種型別的光電二極體的應用或使用少於其他形式的光電二極體。

PIN 光電二極體

圖 3：PIN 光電二極體

這種形式的光電二極體是當今使用最廣泛的光電二極體形式。與標準 PN 光電二極體相比，這種形式在吸收光子方面顯示出更高的效率（Physics-and-radio-electronics，2022）。在兩個區域 P 和 N 之間提供的寬本徵區允許收集更多光。

雪崩光電二極體

這種光電二極體通常用於光照強度相對較低的情況，因為這些形式具有很高的增益。除了具有很高的收集功率外，該器件還會產生很大的噪聲。出於這個特殊原因，該版本沒有被廣泛使用或用於任何用途。

光電二極體符號

圖 4：光電二極體符號

光電二極體的符號通常是利用基本二極體的符號開發的，其中添加了兩個指向器件的箭頭。新增的兩個箭頭是指示光線照射器件方向的符號（Etechnog，2022）。

上圖展示了與發光二極體結構相似的光電二極體符號，其中可以發現一個區別，即箭頭指向相反的方向。

光電二極體的應用

光電二極體的主要應用是將光子或光能轉換成電流。基於這個基本目的，其他應用如下：光電二極體對光照射響應呈線性，因此具有簡單的日常應用。光電二極體的另一個應用是在檢測電路中（Aslan 等，2019）。為了提供電子隔離，該技術用於幫助選擇耦合器。此外，對於光的強度精確測量，使用了光電二極體。它還具有其他醫療應用和邏輯電路。

光電二極體的優點

光電二極體提供的一大優勢是頻率響應更優。除此之外，光電二極體還提供更好的光譜響應和線性度。為了實現雷射脈衝整形，光電二極體被認為是最合適的儀器之一（Electronics-notes，2022）。此裝置可以在高達 1 MHz 的高頻水平下工作。此外，一般來說光電二極體的形式由於對光的高度靈敏性作為可變電阻器件使用。絕大多數形式的這種裝置具有更低的噪聲，同時還具有更快速光電導體的技術優勢。

光電二極體缺點

與光電二極體提供的優勢相比，光電二極體存在的一些缺點顯得微不足道。此裝置在與溫度相關時暗電流會迅速增加。造成這種情況的另一個原因是這些裝置允許的有效面積較小。此外，它還有一項技術要求，即在低輻照度條件下應用時需要進行偏移電壓。

結論

本教程主要介紹關於光電二極體的資訊說明，以及光電二極體在當今時代擁有的各種應用。本教程還納入了進一步的資訊來證明：光電二極體可分為三種型別。除了對所有三種類型的光電二極體進行說明，本教程還重點闡述了光電二極體的構建方法。在此部分中，已經看到了光電二極體的構建是透過遵循反向偏置條件方式進行的，這意味著光電二極體的 p 端連線到電池的負極，而 n 端連線到正極。

常見問題

Q1. 光電二極體的工作原理是什麼？

光電二極體工作的主要原理是光電效應原理。此電路的工作原理表明，在兩個半導體端子交匯的結點上出現照明時，此時該點便開始流動電流。

Q2. LED 和光電二極體之間有什麼區別？

用於 LED 和光電二極體的技術是互為反向的。LED 能夠在帶電載流子的幫助下發光，而光電二極體具有透過吸收光子或在光子存在的情況下生成電流的能力。簡單來說，LED 可以將電流轉換為光能，而光電二極體的主要目的是將光能轉換為電流。

Q3. 光電二極體會發光嗎？

直接帶隙光電二極體通常會發光。透過直接載入，可以進行光亮度的調製。透過測量在 III-V 結上帶隙能級之上的光亮度，可以產生載流子。

Q4. 太陽能電池屬於光電二極體嗎？

由於太陽能電池可以將光子轉換為電流，因此太陽能電池被認為是大面積光電二極體。

參考文獻

期刊

Aslan, N., Koç, M. M., Dere, A., Arif, B., Erkovan, M., Al-Sehemi, A. G., ... & Yakuphanoglu, F. (2018). 用於光電應用的 Ti 摻雜無定形碳 (Al/Ti-a: C/p-Si/Al) 光電二極體。分子結構雜誌，1155，813-818。摘自：https://pure.port.ac.uk

網站

電子學-說明.網, 2022. 光電二極體技術. 摘自：https://www.electronics-notes.com/articles/electronic_components/diode/photodiode-detector-technology.php [檢索於 2022 年 6 月 8 日]

Elprocus.com，（2022）。什麼叫光電二極體：工作原理及特性。摘自：https://www.elprocus.com/photodiode-working-principle-applications/ [檢索於 2022 年 6 月 8 日]

依特諾格.com，2022。光電二極體符號、圖示、電路、特性。摘自：https://www.etechnog.com/2021/06/photodiode-symbol-diagram-circuit.html [檢索於 2022 年 6 月 8 日]

物理-和-射頻電子學.com，（2022）。光電二極體。摘自：https://www.physics-and-radio-electronics.com [檢索於 2022 年 6 月 8 日]