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电工技术基础 什么是光电二极管（或光电池）的接口电路？其工作原理如何？
光电二极管（或光电池）是基于阻挡层光生伏特效应的光电器件，其作用是把将输入光量的变化转换为电量变化的输出。光电二极管（或光电池）是一种基本的敏感元件，它不仅可以直接测量光强，也可以与二次转换元件如光纤等配合用于测量其他物理量或化学量。
当PN结接触区域受到光照射时，便产生光生电动势，这就是结光电效应，又称为阻挡层光生伏
特效应。以半导体PN结为例，具有过剩空穴的P型半导体与过剩电子的N型半导体结合时，N区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散。扩散的结果，N区失去电子而形成带正电的空间电荷区，P区失去空穴而形成带负电的空间电荷区，并建立一个指向P区的内建电场，如图3-18 (a)所示，被称为PN结。它将阻止空穴、电子的进一步扩散，故又称“阻挡层”。最后，内建电场的作用将完全抵消扩散，这时便达到动平衡。在阻挡层中空间电荷区里没有导电的载流子，但收到光照射时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使介带中的束缚电子吸收光子能量后能够跃迁到导带中成为自由电子，从而产生光电子空穴对——光生载流子。在一个扩散长度内，进入阻挡层区的光生载流子都将受到内建电炀的作用，电子推向N区，空穴推向P区，产生P区为正、N区为负的光生电动势Uoc。如果用导线连接，如图3-18 (b)所示，便有光生电流，产生，这就是利用阻挡层光生伏特效应的光电池原理
。
光电池的伏安特性如图3-19 (a)所示。当光电池不受光照时，它就是一个PN结二极管。光电池受一恒定的光照时，光电池则相应地产生光生电动势Uo。。特性曲线与纵轴的交点为短路电流；特性曲线与横轴的交点为开路电压，如图3-19 (b)所示。光电池实际的工作方式是在图3-19 (a)的第1象限，故第1象限的特性代表光电池的实际工作方式的伏安特性
光电二极管也有一个可接受光照的PN结，在结构上与光电池相似。以P型硅为衬底，进行N携杂形成PN结的硅光电二极管为2DU型，形成的硅光电池为2DR型；以N型硅为衬底，进行P掺穿形成PN结的硅光电二极管为2CU溅．形成的硅光电池为2CR型。其区别在于硅光电池用的衬底材餐
的电阻率低，约为O.l～O.OIQ．cm，而硅光电二极管衬底材料的电阻率高，约为1000Q' cm。 光电二极管在电路中通常处于反向偏置工作状态。在无光照射时，处于截止状态，反向饱和电流（也称暗电流）极小；当受光照射时，产生光生载流子——电子、空穴对，使少数载流子浓度大大增加，致使通过PN结的反向饱和电流大大增加，约能比无光照反向饱和电流大1000倍。光生反向饱和电流随入射光照度的变化而成比例地变化，它的伏安特性如同图3-19 (a)中第1II象限特性。在很大范围内，光生反向饱和电流与所施加的反向电压撼0的数值无关，而呈一条几乎平行于横轴的水平线，说明光电二极管输出的光生反向饱和电流随入射光照度变化有极好的线性。光电二极管处在反向偏置工作方式，使空间电荷区域宽度增加，结电容减小，因此改善了光电二极管的频率特性。光电池最高能跟踪几个kHz频率光照度的变化，而光电二极管却能跟踪MHz频率光照度的变化。
对于PIN型光电二极管，它是在P区和N区之间有很厚的一层高电阻率的本征半导体(I)，同时将P区做得很薄，它的PN结势垒区扩展到整个I型层，入射光主要被较厚的I层吸收，激发出较多的载流子形成光电流，捉高了对能渗透到半导体内的红外线的灵敏度。由于工作在更大的反差状态，空间电荷区加宽，阻挡层（PN结）结电容进一步减小，因此响应速度进一步加快。
由于光电二极管的输出短路电流与输入光强有极好的线性关系，因此为得到良好的精度和线性，光电二极管通常都采用电流／电压转换电路作为接口电路，如图3-20 (a)所示。不难得出，电路的输出为：
Uo=-/gRf
为了抑制高频二}二扰和消除运放输入偏置电流的影响，实际应用的电路如图3-20 (b)所示。
IVC102是一种集成化的光电传感器，其内部的结构和外部的接线图以及工作波形图如图3-21所示。IVC102内置高精度运算放大器，该运算放大器的输入偏置电流仅有750fA，更重要的是，IVC102采用电流积分式的原理，可以消除常规电路中由于反馈电阻产生的电阻热噪声，而且IVC102内部集成大小不等的3只电容，可以得到不同的增益值。在外部时钟脉冲的控制下，IVC102内部集成的模拟开关可以按照一定占空比对光电流进行积分。显然，采用集成化的光电传感器可以大幅度简化电路，提高系统的抗干扰能力和性能。
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