电子电路基础 - 光电二极管

简述

这些是在光下工作的二极管。“Opto”这个词的意思是光。有根据光强度传导的类型和传导传递一些光的其他类型。每种类型都有自己的应用程序。让我们讨论一下这些类型中的突出类型。

一些二极管根据落在它们上的光的强度进行传导。此类别中有两种主要类型的二极管。它们是光电二极管和太阳能电池。

光电二极管

光电二极管，顾名思义，是一种对光起作用的PN结。光的强度会影响该二极管的导通水平。光电二极管具有P型材料和N型材料，其间具有本征材料或耗尽区。

该二极管通常在反向偏置条件下工作。当光聚焦在耗尽区时，形成电子-空穴对并发生电子流动。电子的这种传导取决于聚焦光的强度。下图显示了一个实用的光电二极管。

下图表示光电二极管的符号。

当二极管以反向偏置连接时，由于热产生的电子空穴对，会产生小的反向饱和电流。由于少数载流子导致反向偏置电流流动，因此输出电压取决于该反向电流。随着聚焦在结上的光强度增加，由少数载流子引起的电流增加。下图显示了光电二极管的基本偏置布置。

光电二极管封装在玻璃封装中，以允许光线照射到其上。为了将光准确聚焦在二极管的耗尽区，如上图所示，在结上方放置了一个透镜。

即使没有光，也会有少量电流流动，称为暗电流。通过改变光照水平，可以改变反向电流。

光电二极管的优点

光电二极管具有许多优点，例如 -

低噪声
高增益
高速运转
对光的高灵敏度
低成本
小尺寸
使用寿命长

光电二极管的应用

光电二极管有很多应用，例如 -

字符检测
可以检测到物体（可见或不可见）。
用于需要高稳定性和速度的电路。
用于解调
用于开关电路
用于编码器
用于光通信设备

这种类型的另一种二极管是太阳能电池。尽管它是二极管，但它被称为电池。让我们进入细节。

太阳能电池

光敏二极管包括太阳能电池，它是一个普通的 PN 结二极管，但通过转换成电子流的光子的冲击来传导。这类似于光电二极管，但它的另一个目的是将最大入射光转换为能量并将其存储。

下图代表太阳能电池的符号。

太阳能电池虽然是二极管，但其名称和符号表示能量存储。提取更多能量并将其存储的特征集中在太阳能电池中。

太阳能电池的构造

将缺失区具有本征材料的PN结二极管封装在玻璃中。顶部的薄玻璃使光线尽可能地入射到最大的区域，从而以最小的阻力收集最大的光线。

下图显示了太阳能电池的构造。

当光入射到太阳能电池上时，光中的光子与价电子发生碰撞。电子被激发以离开母原子。因此产生了电子流，并且该电流与聚焦在太阳能电池上的光强度成正比。这种现象称为光伏效应。

下图显示了太阳能电池的外观以及如何将多个太阳能电池组合在一起形成太阳能电池板。

光电二极管和太阳能电池的区别

光电二极管工作速度更快，专注于开关，而不是在输出端提供更多功率。因此，它具有低电容值。根据其应用，光电二极管的光能入射面积也较小。

太阳能电池专注于提供高输出能量和储存能量。这具有高电容值。操作比光电二极管慢一点。根据太阳能电池的用途，光的入射面积大于光电二极管。

太阳能电池的应用

太阳能电池有很多应用，例如 -

科学和技术

用于卫星太阳能电池板
用于遥测
用于远程照明系统等。

商业用途

用于太阳能电池板储存电力
用于便携式电源等。
用于家庭用途，例如使用太阳能烹饪和取暖

电子的

手表
计算器
电子玩具等

一些二极管根据施加的电压发光。此类别中有两种主要类型的二极管。它们是 LED 和激光二极管。

LED（发光二极管）

这是我们日常生活中最常用的二极管。这也是一个普通的PN结二极管，只是它的结构中使用了砷化镓、磷化砷化镓等材料，而不是硅和锗。

下图显示了发光二极管的符号。

与普通的 PN 结二极管一样，它在正向偏置条件下连接，以便二极管导通。当导带中的自由电子与价带中的空穴结合时，LED 中就会发生传导。这个重组过程会发光。这个过程称为电致发光。发出的光的颜色取决于能带之间的间隙。

使用的材料也会影响颜色，例如，磷化砷化镓发出红色或黄色，磷化镓发出红色或绿色，硝酸镓发出蓝光。而砷化镓发射红外光。用于不可见红外光的 LED 主要用于遥控器。

下图显示了不同颜色的实际 LED 的外观。

上图中的LED有平边和弯边，平边的引线比另一根短，以表示较短的一根为阴极或负极，另一根为阳极或正极.

LED的基本结构如下图所示。

如上图所示，随着电子跃入空穴，能量以光的形式自发消散。LED 是电流相关器件。输出光强度取决于通过二极管的电流。

LED的优点

LED 有许多优点，例如 -

高效率
高速
高可靠性
低散热
更大的使用寿命
低成本
易于控制和可编程
高亮度和强度
低电压和电流要求
所需接线更少
维护成本低
无紫外线辐射
即时照明效果

LED的应用

LED 有很多应用，例如 -

在显示

特别用于七段显示
数字时钟
微波炉
交通信号
铁路及公共场所的展板
玩具

在电子电器

立体声调谐器
计算器
直流电源
放大器中的开/关指示灯
电源指示灯

商业用途

红外可读机
条码阅读器
固态视频显示器

光通信

在光开关应用中
用于无法获得手动帮助的光耦合
通过 FOC 传递信息
图像传感电路
防盗报警器
在铁路信号技术中
门和其他安全控制系统

正如LED有很多优点和应用一样，还有一个重要的二极管叫做激光二极管，它也有很多先进的特性和未来的发展空间。让我们讨论一下激光二极管。

激光二极管

激光二极管是另一种流行的二极管。这是一种发光但具有受激过程的光学二极管。LASER的名称意味着通过S受激E辐射任务进行的光放大。

受激发射

这是一个 PN 结二极管，当光线入射到它上面时，它的动作就开始了。对于光线，当光子入射到原子上时，原子被激发并达到可以称为更高能级的上能级。

原子从高能级转移到低能级时，会释放出两个与入射光子特性相似且同相的光子。这个过程称为受激发射。一个原子通常可以在这个激发态停留10 ^-8秒的时间。

因此，上述过程为激光二极管设定了原理。

激光二极管原理

每当一个光子入射到一个原子上时，该原子就会从较低的能量状态激发到较高的能量状态，并在此过程中释放出两个光子。实际上，一个原子一般可以在这个激发态停留10 ^-8秒的时间。因此，为了实现放大，在这个激发过程中，原子被置于另一个称为亚稳态的状态，该状态低于较高能级，高于较低能级。

一个原子可以保持这种 Meta 稳定状态10 ^-3秒。当原子由此进入较低状态时，会释放两个光子。如果在光子撞击原子之前有更多的原子处于激发态，那么我们就有了激光效应。

在这个过程中，我们需要理解两个术语。亚稳态原子的数量比低能态或基态的原子数多，称为种群反转。然后让原子从较低能态发送到较高能态以实现粒子数反转的能量称为泵送。这是光泵浦。

优点

激光二极管有许多优点，例如 -

激光二极管使用的功率要少得多
更高的开/关切换速度
更紧凑
更便宜
它们比激光发生器便宜
减少触电的机会

缺点

激光二极管几乎没有缺点，例如 -

更多的发散光线，因此质量不太好
与 LED 相比，它们的使用寿命更短。
电源不稳定时容易损坏

应用

激光二极管有很多应用，例如 -

用作泵浦激光器和种子激光器
用于光学数据存储设备
用于激光打印机和激光传真机
用于激光笔
用于条码阅读器
它们用于 DVD 和 CD 驱动器
用于 HD DVD 和 BLU RAY 技术
具有多种工业用途，如热处理、熔覆、缝焊等。
在数据链接和传输等通信技术中有很多用途。

在经历了所有这些之后，让我们尝试理解一些术语。

零件

组件是电子产品的各个基本元素。
它们在构造方面具有不同的特性。
每个组件都有不同的应用。

Ex - 电阻器、电容器、二极管等。

电路

电路是不同组件的网络
电路中的组件完全符合预期目的。
如果电路必须处于活动状态，则应包含电源。

Ex - 限幅器和钳位器电路、放大器电路、继电器电路等。

设备

设备是由不同电路组成的设备。
设备中的所有电路都有助于其发挥作用。
设备可用于测量信号、产生信号、控制结果或保护电路等。

Ex - CRO、函数发生器等。

固态设备

以前我们有真空管，它根据热离子原理工作，内部充满真空。它们的尺寸比今天的组件大。这些真空管被半导体器件取代，也称为固态器件。

有源设备

可以控制电流流动的设备（或确切地说是组件）可以称为有源设备。

它们需要一些输入电源才能导通。
这些组件的工作定义了电路的行为。

Ex - 真空管、二极管、晶体管、可控硅

无源设备

不能控制电流的设备（或确切地说是组件）可以称为无源设备。

它们不需要输入电源即可工作。
这些组件的工作会稍微改变电路的行为。

Ex - 电阻器、电容器、电感器等。

掺杂

添加电子或产生空穴以改变半导体材料特性的过程，无论是通过制造更多的正极还是制造更多的负极，都可以理解为掺杂。

二极管的应用包括许多电路，从限幅器和钳位器电路开始，将在电子电路教程中讨论。