光电二极管：设备、特性和工作原理
最简单的光电二极管是传统的半导体二极管，它能够影响 p-n 结上的光辐射。
在平衡状态下，当辐射通量完全不存在时，光电二极管的载流子浓度、电势分布和能带图完全对应于通常的pn结构。
当暴露于垂直于 p-n 结平面方向的辐射时，由于吸收能量大于带宽的光子，电子-空穴对出现在 n 区。这些电子和空穴称为光载流子。
在光载流子扩散到 n 区深处的过程中，电子和空穴的主要部分没有时间重新结合并到达 p-n 结边界。这里，光载流子被p—n结的电场分开，空穴进入p区，电子无法克服跃迁场而聚集在p—n结和n区的边界处。
因此，通过 p-n 结的电流是由于少数载流子-空穴的漂移。光载流子的漂移电流称为光电流。
光电二极管可以在两种模式之一下运行——无需外部电源（光发生器模式）或使用外部电源（光电转换器模式）。
以光发生器模式运行的光电二极管通常用作将太阳能转换为电能的电源。它们被称为太阳能电池，是航天器中使用的太阳能电池板的一部分。
硅太阳能电池的效率约为 20%，而薄膜太阳能电池的效率可能要高得多。太阳能电池的重要技术参数是其输出功率与质量的比值和太阳能电池所占的面积。这些参数分别达到 200 W/kg 和 1 kW/m2 的值。
当光电二极管在光转换模式下工作时，电源 E 以阻断方向连接到电路（图 1，a）。光电二极管的 I-V 特性的反向分支用于不同的照明水平（图 1，b）。
米。 1. 光转换方式开启光电二极管的方案：a——开关电路，b——光电二极管的I——V特性
负载电阻Rn中的电流和电压可以通过光电二极管的电流-电压特性和电阻Rn阻值对应的负载线的交点以图形方式确定。在没有照明的情况下，光电二极管以传统二极管的模式工作。锗光电二极管的暗电流为 10 — 30 μA，硅光电二极管为 1 — 3 μA。
如果在光电二极管中使用伴随载流子雪崩倍增的可逆电击穿，如在半导体齐纳二极管中，则光电流和灵敏度将大大增加。
雪崩光电二极管的灵敏度可比传统光电二极管高几个数量级（锗为 200 至 300 倍，硅为 104 至 106 倍）。
雪崩光电二极管是频率范围高达 10 GHz 的高速光伏器件。与传统光电二极管相比，雪崩光电二极管的缺点是噪声水平较高。
米。 2. 光敏电阻电路图（a）、UGO（b）、光敏电阻的能量（c）和电流-电压特性（d）
除了光电二极管外，还使用了光敏电阻（图2）、光敏三极管和光晶闸管，它们利用的是内光电效应。它们的典型缺点是惯性大（限制工作频率 fgr <10 — 16 kHz），这限制了它们的使用。
光电晶体管的设计类似于传统晶体管，在外壳中有一个窗口，通过该窗口可以照亮基极。 UGO 光电晶体管 — 带有两个箭头指向它的晶体管。
LED 和光电二极管通常成对使用。在这种情况下，它们被放置在一个外壳中，使光电二极管的光敏区域位于 LED 的发射区域的对面。使用成对 LED 光电二极管的半导体器件称为 光电耦合器 （图 3）。
米。 3、光耦：1—LED，2—光电二极管
这些设备中的输入和输出电路没有以任何方式电气连接，因为信号是通过光辐射传输的。
波塔波夫洛杉矶