在進(jìn)行一些單片機(jī)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)，經(jīng)常會(huì)用到光電二極管。光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能（電壓或電流）的光傳感器。光電二極管是一種具有PN結(jié)的半導(dǎo)體器件。在p（正）層和n（負(fù)）層之間，存在本征層。光電二極管接受光能作為輸入以產(chǎn)生電流。

它也被稱(chēng)為光電探測(cè)器、光電傳感器或光探測(cè)器。光電二極管工作在反向偏置條件下，即光電二極管的p側(cè)連接電池（或電源）的負(fù)極，n側(cè)連接電池的正極。

典型的光電二極管材料是硅、鍺、砷化銦鎵磷化物和砷化銦鎵。

在內(nèi)部，光電二極管具有濾光器、內(nèi)置透鏡和表面積。當(dāng)光電二極管的表面積增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間縮短。很少有光電二極管看起來(lái)像發(fā)光二極管（LED）。它有兩個(gè)端子，如下所示。較小的端子作為陰極，較長(zhǎng)的端子作為陽(yáng)極。

光電二極管的符號(hào)類(lèi)似于LED的符號(hào)，但LED中的箭頭指向內(nèi)，而不是指向外。下圖顯示了光電二極管的符號(hào)。

一、光電二極管的工作原理

通常，當(dāng)用光照射PN結(jié)時(shí)，共價(jià)鍵被電離。這會(huì)產(chǎn)生空穴和電子對(duì)。由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而產(chǎn)生光電流。當(dāng)能量超過(guò)1.1eV的光子撞擊二極管時(shí)，就會(huì)形成電子空穴對(duì)。當(dāng)光子進(jìn)入二極管的耗盡區(qū)時(shí)，它以高能量撞擊原子。這導(dǎo)致電子從原子結(jié)構(gòu)中釋放。電子釋放后，產(chǎn)生自由電子和空穴。

一般來(lái)說(shuō)，電子帶負(fù)電荷，空穴帶正電荷。耗盡能量將具有內(nèi)置電場(chǎng)。由于該電場(chǎng)，電子-空穴對(duì)遠(yuǎn)離結(jié)。因此，空穴移動(dòng)到陽(yáng)極，電子移動(dòng)到陰極以產(chǎn)生光電流。

光子吸收強(qiáng)度和光子能量成正比。當(dāng)照片的能量較少時(shí)，吸收會(huì)較多。這整個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為內(nèi)光電效應(yīng)。本征激發(fā)和外在激發(fā)是發(fā)生光子激發(fā)的兩種方法。當(dāng)價(jià)帶中的電子被光子激發(fā)到導(dǎo)帶時(shí)，就會(huì)發(fā)生本征激發(fā)過(guò)程。

二、光電二極管的工作模式

光電二極管以三種不同的模式運(yùn)行，它們是：

（1）光伏模式；
（2）光電導(dǎo)模式；
（3）雪崩二極管模式，

下面，讓我們簡(jiǎn)單地看一下這些模式。

1.光伏模式

這也稱(chēng)為零偏置模式。當(dāng)光電二極管工作在低頻應(yīng)用和超強(qiáng)光應(yīng)用中時(shí)，這種模式是首選。當(dāng)光電二極管受到閃光的照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓。產(chǎn)生的電壓將具有非常小的動(dòng)態(tài)范圍并且具有非線(xiàn)性特性。當(dāng)光電二極管在這種模式下配置OP-AMP時(shí)，溫度變化會(huì)非常小。

2.光電導(dǎo)模式

在這種模式下，光電二極管將在反向偏置條件下工作。陰極為正極，陽(yáng)極為負(fù)極。當(dāng)反向電壓增加時(shí)，耗盡層的寬度也增加。因此，響應(yīng)時(shí)間和結(jié)電容將減少。相比之下，這種操作模式速度快，并且會(huì)產(chǎn)生電子噪聲。

跨阻放大器用作光電二極管的前置放大器。這種放大器的模式保持電壓保持恒定，使光電二極管工作在光電導(dǎo)模式。

3.雪崩二極管模式

在這種模式下，雪崩二極管在高反向偏置條件下工作。它允許將雪崩擊穿乘以每個(gè)光產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)。因此，這會(huì)在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)部增益。內(nèi)部增益增加了設(shè)備響應(yīng)。

三、在外部電路中連接光電二極管

光電二極管在反向偏置電路中工作。陽(yáng)極連接到電路地，陰極連接到電路的正電源電壓。當(dāng)被光照射時(shí)，電流從陰極流向陽(yáng)極。

當(dāng)光電二極管與外部電路一起使用時(shí)，它們連接到電路中的電源。光電二極管產(chǎn)生的電流量非常小。該電流值不足以驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備。因此，當(dāng)它們連接到外部電源時(shí)，它會(huì)為電路提供更多電流。因此，電池用作電源。電池源有助于增加電流值，這有助于外部設(shè)備有更好的性能

四、光電二極管的VI特性

光電二極管在反向偏置條件下工作。沿X軸以伏特為單位繪制反向電壓，沿Y軸以微安為單位繪制反向電流。反向電流不取決于反向電壓。無(wú)光照時(shí)，反向電流幾乎為零。存在的最小電流量稱(chēng)為暗電流。一旦光照度增加，反向電流也線(xiàn)性增加。

五、光電二極管的應(yīng)用

1、光電二極管用于許多簡(jiǎn)單的日常應(yīng)用。使用它們的原因是光電二極管對(duì)光照的線(xiàn)性響應(yīng)。當(dāng)更多的光落在傳感器上時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生大量的電流。電流的增加將顯示在連接到電路的檢流計(jì)上。
2、光電二極管有助于在光耦合器的幫助下提供電隔離。當(dāng)兩個(gè)隔離的電路被光照射時(shí)，光耦合器用于光耦合電路。但電路將是電氣隔離的。與傳統(tǒng)設(shè)備相比，光耦合器速度更快。
3、光電二極管還用于安全電子設(shè)備，如火災(zāi)和煙霧探測(cè)器。它也用于電視單元。
4、在相機(jī)中使用時(shí)，它們充當(dāng)光傳感器。它用于閃爍體電荷耦合器件、光電導(dǎo)體和光電倍增管。
5、光電二極管還廣泛用于許多醫(yī)療應(yīng)用，例如分析樣本的儀器、計(jì)算機(jī)斷層掃描的檢測(cè)器，也用于血?dú)獗O(jiān)測(cè)儀。

以上就是英銳恩單片機(jī)開(kāi)發(fā)工程師分享的“光電二極管的工作原理與特性”。英銳恩專(zhuān)注單片機(jī)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，提供8位單片機(jī)、16位單片機(jī)、32位單片機(jī)。