光電二極體是如何運作的？

光電二極體對將光能轉換為電能的技術至關重要，是太陽能技術或電力系統的核心元件，它們也越來越多地作為電子電路的一部分使用。

對於希望在電子電路中使用光電二極體的設計師來說，了解光電二極體的工作原理以及它們的潛在應用是非常重要的，接下來的內容將詳細說明光電二極體的相關資訊。

光電二極體是一種用於將光能轉換為電能的半導體器件，也被稱為光檢測器、光電二極管或光探測器，它們通過其特定的設計和結構實現這一功能。

光電二極體最基本和最重要的部分之一是P-N 結，這是一種半導體材料層的空間，P 型層具有大量電洞，而 N 型層則充滿電子。儘管有幾種類型的光電二極體，P-N 結是這些器件設計中一個一致存在的元素，通常稱為耗盡層。

當光電二極體未檢測到光時，器件內幾乎不會產生電流（通常接近零），這稱為光電二極體的「暗電流」，隨著器件靈敏度的增加，暗電流會減少。

當光能被器件檢測到（通常在一定的能隙等級（bandgap）以上），P-N 結中將產生新的電洞和電子，從而產生電流。

在反向偏壓的光電二極體中，電洞會移動到陽極，電子會移動到陰極，在耗盡區中形成電流，隨著光線的亮度增加，器件中的電流也會增加。

根據光電二極體的具體要求或設計，該器件將以光伏模式或光導模式運作：

• 光伏模式是指將沒有外部電壓施加到器件上，這意味著器件沒有偏置。因此當光線照射在器件上時，電子會向鉗子極移動，電洞會向陽極移動，在耗盡區中產生電流。
• 光導模式是當將反向偏壓電源應用到器件時，增加耗盡區、暗電流和光電二極體的響應速度，同時減少其結耦電容。

光電二極體電路

光電二極體與光電晶體（Phototransistors）之間的設計和結構是光電二極體和光電晶體之間的關鍵區別。這兩種器件之間主要的區別在於：

• 光電晶體比光電二極體多一層材料，創建兩個P-N 結。
• 光電二極體只有兩個端子，而光電晶體最多可以有三個。
• 光電晶體只能以正向偏壓模式使用，而光電二極體可以在反向偏壓模式下工作。
• 光電晶體必須連接到電源才能工作，而光電二極體則不需要。
• 光電二極體可以同時產生電流和電壓，而光電晶體只能產生電流。
• 這意味著光電晶體不是將光轉換為電能，而是用作光感測器，這使它們適用於煙霧探測器或遙控器等應用。

光電二極體最主要的應用是在能源生產系統中作為太陽能電池和檢測光源亮度。然而，還有其他一些特定的應用領域，可以使用光電二極體，包括：

• 火災和煙霧探測器
• 醫療設備，包括分析樣本和監測血氣的設備
• 光線測量精密儀器
• 光學通訊
• 相機控制，如快門和閃光燈

光電二極體的基本設計雖然相同，但有些特定的器件具有特殊的結構，使它們適用於特定的應用領域。

雪崩光電二極體

正如這種光電二極體類型的名字所示，這些器件的結構旨在產生大量的電荷載流子。它通過大功率以反向偏壓的方式通過電源供應進入這些器件來實現。因此，這些光電二極體比其他器件具有更高的響應級別。

但這也意味著使用這些器件存在一些缺點，例如噪音大、對溫度敏感以及工作頻寬的減少。儘管如此，雪崩光電二極體仍然廣泛應用於光學鏈系統中。

PN光電二極體

PN 光電二極體是這種器件最基本的形式。因此，它們作為標準光電二極體運行，只有在受到光線照射時才會產生電流，而不需要外加電壓。然而，儘管它們是這些器件中最早創建的類型，它們相對較低的性能意味著它們如今並不常用。

PIN光電二極體

在標準的 P 型和 N 型層的基礎上，PIN 光電二極體還在結構的中間具有一個固有的半導體層。這使得這些器件中的耗盡層比其他光電二極體更寬。這有助於在耗盡層中捕獲更多的光子能量並將其轉換為電子-電洞對。

這意味著與其他器件相比，PIN 光電二極體具有更大的頻寬和更快的響應速度。因此它們經常用於光纖網絡系統、X 射線和γ射線檢測和光探測器。

蕭特基光電二極體

在蕭特基光電二極體中，金屬層（如鋁或鉑）與 N 型半導體層結合。它們之間的空間稱為金屬-半導體結。取決於形成在這一耗盡區內的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的能傳導電子的阻抗。如果屏障高度低，該器件被稱為“不成鉛架”。如果屏障高，則稱為“成鉛架”。前者對電流的傳導阻力小，而後者的阻力大。

這種器件能夠在正向偏置和反向偏置之間切換功能，結合了正向偏置和反向偏置兩種模式的優點。這種特性使得蕭特基光電二極體非常適合需要快速切換、射頻和電源供應功能的應用。