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光電二極管基礎知識
什么是光電二極管
光電二極管是一種接收光的元件，當光線被照射時，微小電流以恒定方向流動。
當光照射到半導體結處時，會產生內部光電效應，利用電子激發和電流流動的特性來檢測輻照光的強度。 由于其在光接收檢測上具有很高的精度，因此在光學通信設備中尤為必要。
此外，它還集成到醫療設備中，如氣體濃度測量。 二極管結構主要包括PN結、PIN結和雪崩類型，每種結構具有不同的靈敏度和響應時間。
光電二極管的應用
光電二極管的典型應用包括CD/DVD播放器的拾取點、電視遙控器和光通信。 特別是具有高光敏度的PIN結類型廣泛應用于光學通信系統，同時也廣泛應用于各種應用。
在光電二極管的三種結構中，這是使用廣泛的類型。 它也被用于斷層掃描和X光機等醫療器械中。
光電二極管原理
光電二極管利用一種物理現象，當光照射到器件上時，半導體結處的電子被激發，通過測量電流可以檢測到光的量。
由于可探測光的波長取決于二極管材料，因此必須根據預期的波長應用來選擇。 主要使用的材料是硅、鍺和硫化鉛。
1. PN鍵合類型
當光照射到耗盡層（標志P型和N型半導體的分界）時，電子向N型半導體流動，而P型半導體中電子運動會產生空穴。 當光被照射時，電子和空穴的流動會發生，因此電子流動被檢測為電流，但其響應速度較慢。
2. PIN鍵合類型
由于背景噪聲（也稱為暗電流）很小，它是光電二極管廣泛使用的結構。 P型半導體、I型半導體和N型半導體依次連接。
通過對I型半導體段施加反向偏置電壓，激發電子順暢流入N型半導體，從而提高響應速度。
3. 雪崩節類型
一個顯著特征是P型半導體層從電極位置依次劃分為p+層、p層和p層。 得益于其雪崩（電子雪崩）放大功能，它具有極其微弱的光線檢測并具有超高速響應的特性。 通常會施加高電壓，稱為APD。
關于光電二極管的其他信息
1. 光電二極管的應用電路
當兩個電極都開路時，光電二極對溫度高度依賴，在短路中光與電流的關系非線性，難以直接應用于應用。 因此，對于測量亮度的亮度計或曝光儀等應用，采用一種電路配置：光電二極管陰極連接到運算放大器的反相輸入端，陽極連接到非反相端，并在運算放大器的輸出端和反相輸入端之間插入反饋電阻Rf。
在該電路中，短路電流為×返回電阻Rf，對應光強，成為運算放大器的輸出電壓（反相輸入端的參考電壓），光電二極管兩端（陽極與陰極之間）電壓為0V，相當于兩端短路（虛短路）。
因此，由于短路電流 S 與光的強度成正比，運算放大器的輸出電壓可以表示為光的強度。 在實際電路中，連接一個電容Cf以補償光電二極管電容引起的響應延遲，從而加快響應速度。
2. 光電二極管的光譜敏感特性
硅光電二極管輸出電流至320nm至1100nm的光波段，但在800nm至1000nm的近紅外范圍表現為特別高的靈敏度。 人類可見光范圍為380nm~720nm，靈敏度峰值約為550nm，因此其光譜靈敏度特性不同于硅光電二極管。
因此，硅光電二極管的輸出不能僅僅作為亮度來處理。 例如，在近紅外輻射豐富的環境中，硅光電二極管的輸出會增加，但由于人眼看不見，所以感覺不到亮度。
因此，作為傳感器如光度計使用時，必須將人眼的靈敏度特性與硅光電二極管的光譜靈敏度匹配。 在這種情況下，在硅光電二極管表面安裝了視覺感光校正濾波器。
此外，鍺和鍺砷也用于硅以外的波長應用。 這是因為帶隙能量會隨材料性質值變化，特別是InGaAs適用于波長超過1微米的應用。
