光电二极管的工作原理、参数解析与检测方法

光电二极管的工作原理

光电二极管是一种特殊的二极管,它将光信号转化为电流或电压信号,其结构与传统二极管基本相同,都有一个PN结,但是光电二极管在设计和制造时,尽量使PN结的面积较大,以便于接收入射光。

它的基本原理是:当光线照射到光电二极管时,吸收的光能转化为电能。光电二极管工作在反向电压下,只经过很弱的电流(一般小于0.1微安),称为暗电流,有光照时,带能量的光子进入PN结后,将能量传递给共价键上的电子,使某些电子脱离共价键,产生电子-空穴对,称为光生载流子,因为光生载流子的数量有限,而光照前多子的数量远大于光生载流子的数量,所以光生载流子对多子的影响很小,但少子的数量较少,有较大的影响,这就是为什么光电二极管工作在反向电压下,而非正向电压下。

在光生电子在反向电压下,在光生载流子的作用下,为促使少子参与漂流运动,在P区内,光生电子在PN区内扩散,若P区厚度小于电子扩散长度,则光生电子将能穿过P区到达PN结。

光电二极管的工作是一种吸收过程,它将光的变化转化为反向电流的变化,光电流和暗电流的合成是光电流,所以光电二极管的暗电流使器件对光的灵敏度降到最低,光的强度与光电流成正比,从而能将光信号转化为电信号。

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光电二极管选型中的参数解析

实际上,光电二极管的“响应速度”和“探测下限”是研究中经常提到的两个参数,该参数会对光电二极管选型产生何种影响呢?今天我们主要来了解一下这两个参数。

一、响应速度

通常用上升时间和截止频率来描述响应速度。响应速度主要受以下三个主要因素影响:

1、由终端电容(Ct)和负载电阻(RL)决定的电路特性;

2、耗尽层外载流子的扩散时间;

3、载流子在耗尽的层渡越时间。

与短波长光相比,长波长光往往激发出耗尽层外的载流子,因而扩散时间延长,响应速度变慢。除此之外,以下三种提高光电二极管响应速度的方法更为普遍:

1、选用较低端电容(Ct)的光电二极管;

2、降低电路中负载电阻(RL);

3、通过增加反向电压(VR),还可以降低终端电容值(Ct),最终获得更快的响应速度。(注意,当反向电压增加时,暗电流增加。)

二、检测下限

检测下限通常用噪声等效功率来描述。检测下限主要取决于光电二极管在相应波长上的光灵敏度、光信号频率和光电二极管噪声特性。

1、反向电压(VR)引起的暗电流(ID),VR越高,暗电流越大;

2、分流电阻(Rsh)相关的热噪声:分流电阻越大,噪声电流就越小。当电路中没有反向电压(VR)时,这是需要考虑的最主要因素;

3、不可避免地由光电流(信号)引起的散粒噪声电流。

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光电二极管的检测方法

在应用光电二极管的过程中,经常要对其进行检测,以查找故障,保证设备安全。那其检测方法都有哪些呢?

1、电阻测量方法。

以万用表为单位1k。光电二极管的正向电阻约为10kΩ。如果没有光照射,反向电阻为∞,这管就是好的(如果反向电阻不是∞,说明有很大的泄漏电流);如果有光照射,反向电阻会随着光照射强度的增加而降低,当管的阻值低于几kΩ或1kΩ时,这管就是好的;如果反向电阻都是∞或者为零,那管就是坏的。

2、电压测量方法。

使用万用表1V档采用红笔接光电二极管'+'极,黑笔接'-'极,其电压与光强度成正比,一般可达0.2~0.4V。

3、测量短路电流的方法。

使用50μA的万用表。以红色灯泡(不能使用荧光灯)接光电二极管“+”灯泡,黑色灯泡接“-”灯泡,在白炽灯下,其电流随光照增强而增大,短路电流可以达到几十到几百μA。

实际上,有时需要区分的是红外发光二极管,还是红外光电二极管(或光电三极管)。办法是:如果管子全部采用透明树脂封装,则可从管芯安装外部区别。红外线发光二极管的核心下面有一个浅盘,而光电二极管和光电三极管不在其中;如果是小管或黑色树脂包裹的,可以用万用表(设置1k挡)测量电阻。通过双手捏住管子(使其不被光照射),得到的正向电阻为10k,反向电阻接近∞的则是光电二极管。

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