鳖:硅光电二极管

硅光电二极管是当前普遍应用的半导体光电二极管。下面我们谈谈2CU和2DU两种类型硅光电二极管的种类、构造以及应用上的一些问题。

种类与构造

一、2CU型硅光电二极管：

2CU型硅光电二极管是用N型硅单晶制作的，根据外形尺寸的大小它又可分2CU­1­，2CU­2­，2CU­3­等型号，其中2CU­1­与2CU­2­体积较大，2CU­3­稍小些（见图1（a））。这种类型的光电二极管多用带透镜窗口的金属管壳封装，下端有正、负两个电极引线，它们分别与管心中的光敏面（P型层）和N型衬底相连。光线从窗口射入后经透镜聚焦在管心上，由于这种聚光作用增强了光照强度，从而可以产生较大的光电流。

二、2DU型硅光电二极管：

2DU型硅光电二极管是用P型硅单晶制作的，从外形上分有2DUA，2DUB等类型，其中2DUA型管子体积较小些（见图1（b））。

2DU型硅光电二极管目前多采用陶瓷树脂封装，入射光的窗口不带透镜。这类管子引线共有三条，分别称作前极、后极、环极（见图1（b））。前极即光敏区（N型区）的引线；后极为衬底（P型区）的引线；环极是为了减小光电管的暗电流和提高管子的稳定性而设计的另一电极。光电管的暗电流是指光电二极管在无光照、最高工作电压下的反向漏电流。我们要求暗电流越小越好，这样的管子性能稳定，同时对检测弱光的能力也越强。

为什么加了环极后就可以减小2DU型硅光电二极管的暗电流呢？这要从硅光电二极管的制造工艺谈起。

在制造硅光电二极管的管心时，将硅单晶片经过研磨抛光后在高温下先生长一层二氧化硅氧化层，然后利用光刻工艺在氧化层上刻出光敏面的窗口图形，利用扩散工艺在图形中扩散进去相应的杂质以形成P－N结。然后再利用蒸发、压焊、烧结等工艺引出电极引线。由于2DU型硅光电二极管是用P型硅单晶制造的，在高温生长氧化层的过程中，容易在氧化层下面的硅单晶表面形成一层薄薄的N型层，这一N型层与光敏面的N型层连在一起则使光电管在加上反向电压后产生很大的表面漏电流，因而使管子的暗电流变得很大。为了解决这个问题，在工艺上采取这样一个措施，即在光刻光敏面窗口的同时在光敏面周围同时刻出一个环形窗口（见图②），在这环形窗口中同时扩散进磷杂质也形成一个N型层，这就是环极。当我们给环极加上适当的正电压后，使表面漏电流从环极引出去，这样就减小了光敏面的漏电流即减小了光敏面的暗电流，提高了2DU型硅光电管的稳定性。

特性与使用

一、特性。2CU型或2DU型硅光电二极管在性能上都有以下二个特点，我们在使用中应予以注意。

1．反向工作电压必须大于10伏。硅光电二极管的光电流随反向工作电压以及入射光强度的变化关系如图③所示。我们看到在反向工作电压小于10伏时，平行曲线簇呈弯曲形状（例如OA那段），说明光电流随反向电压变化是非线性的，当反向工作电压大于10伏时，光电流基本上不随反向电压增加而增加，反映在平行曲线簇上就是平直那段（例如AB段）。由图③清楚地看出在反向工作电压大于10伏的条件下管子有较高的灵敏度。图④表示在反向工作电压大于10伏情况下，光电流与入射光强度的关系，从图④看出在反向工作电压大于10伏的条件下光电流随入射光强度的变化基本上是线性的。上述这些，就是硅光电二极管的反向工作电压必须大于10伏的原因所在。

2．硅光电二极管的光电流、暗电流随温度的变化均有变化。在环境温度0℃以上，反向工作电压不变的条件下，环境温度变化（25～30）℃时，硅光电二极管的暗电流将变化10倍，光电流变化10％左右，所以在要求稳定性高的电路中要考虑温度补偿的问题。

二、2CU型硅光电二极管在电路中接法：

2CU型硅光电二极管在接入电路前先要按产品说明书所述来分清“＋”、“（-）”极。例如2CU­1­和2CU­2­型管子，有时在管壳上靠近“＋”极引线那边点上色点作为标记，也有用管帽边沿上突起一点作为参考点来分清“＋”、“-”极（见图⑤（a））。2CU­3­型管子二条引线中较长一根是“＋”极。

2CU型硅光电二极管使用时电原理图见图⑤（b）。图中E为反向工作电压的电源，R­L­是负载电阻，电信号就从它的两端输出。当无光照时，R­L­两端的电压很小；当有光照时，R­L­两端的电压增高，R­L­两端电压大小随光照强弱作相应的变化，这样就将光信号变成了电信号。图⑥所示是实际应用中的最简单的光电控制线路。其中图⑥（a）是亮通的光控线路。图中2CU管是光电接收元件，三极管BG­1­和BG­2­直接耦合组成一级射极跟随器。“J”表示继电器，它的型号是JRXB－1型。图中D­1­是2CP­10­型二极管，它的作用是保护BG­2­三极管的。当有光照射到光电管上时，光电管内阻变小，因此使通过2CU、R­1­、R­2­的电流变大则R­2­两端的电压增大，使BG­1­导通。BG­1­发射极电流大部分流入BG­2­基极，使BG­2­导通并饱和，这样继电器线圈中流过较大的电流，使继电器触点吸合；当无光照时2CU内阻增大，通过2CU、R­1­、R­2­的电流很小，因此R­2­两端电压很小，使BG­1­截止，BG­2­也截止，继电器触点释放，这样的线路起到了光电控制作用。

图⑥（b）是暗通的光控线路，与图⑥（a）相比电路中2CU与R­2­的位置对调了。当有光照时2CU内阻变小，它两端的压降减小，这样使BG­1­截止，BG­2­也截止，继电器触点不吸合，当无光照时2CU的内阻增大，它两端的压降增大，使BG­1­导通，BG­2­也导通，继电器触点吸合。

三、2DU型硅光电二极管在电路中的接法：

我厂生产的2DU型硅光电二极管的前极、后极以及环极可按图①（b）所示来分辨。

2DU型硅光电二极管使用时电原理图见图⑦，2DU管的后极接电源的负极，环极接电源的正极，前极通过负载电阻R­L­接到电源的正极。有了R­L­使环极的电位比前极电位高，这样表面漏电流从环极流出而不经过前极，使前极暗电流减小，从而提高了管子的稳定性。

利用2DU型硅光电二极管组成的光控电路见图⑧所示，电路原理同图⑥（b），这里不再重述。

硅光电二极管的选用

如果我们把光电管用于一般的光电控制电路时，在设备的体积许可条件下，可以尽量选用光照窗口面积大的管子，如选用2CU­1­，2CU­2­或2DUB等型的管子。

2DUA和2CU3型硅光电二极管的体积较小，特别是2DUA类型的管子，外壳宽度只有2毫米，上述二种管子适合排列组合使用，组成光电二极管阵列，主要用在光电编码器和光电输入机上作光电读出用。由于这类管子窗口面积很小，因此产生的光电流也小，如果要提高线路的灵敏度就要多加几级放大。

硅光电二极管在环境温度变化时，暗电流和光电流都会起变化，但2CU型的管子比2DU型管子变化大，因此在稳定性要求较高的光电控制电路上就要用2DU型的管子。