半导体二极管及其应用

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1、一 半 导 体 二 极 管 及 其 应 用 1 半 导 体 基 础 知 识2 半 导 体 二 极 管3 二 极 管 电 路 分 析 与 应 用4 特 殊 二 极 管5 二 极 管 的 型 号 与 检 测6 小 结 1.1 半 导 体 的 主 要 特 性 1.2 PN 结 1.1半 导 体 的 主 要 特 性 半 导 体 导 电 能 力 介 于 导 体 和 绝 缘 体 之 间 的 物 质 。本 征 半 导 体 纯 净 的 半 导 体 。 如 硅 、 锗 单 晶 体 。载 流 子 自 由 运 动 的 带 电 粒 子 。共 价 键 相 邻 原 子 共 有 价 电 子 所 形 成 的 束 缚 。+4

2、+4+4+4硅 (锗 )的 原 子 结 构Si 2 8 4 Ge 2 8 18 4简 化 模 型 +4惯 性 核 硅 (锗 )的 共 价 键 结 构价 电 子 自由电子(束 缚 电 子 ) 空穴空 穴空 穴 可 在 共价 键 内 移 动1、本 征 半 导 体 本 征 激 发 ：复 合 ： 自 由 电 子 和 空 穴 在 运 动 中 相 遇 重 新 结 合 成 对 消失 的 过 程 。漂 移 ： 自 由 电 子 和 空 穴 在 电 场 作 用 下 的 定 向 运 动 。 在 室 温 或 光 照 下 价 电 子 获 得 足 够 能 量 摆 脱 共 价 键的 束 缚 成 为 自 由 电 子 ， 并

3、在 共 价 键 中 留 下 一 个 空 位(空 穴 )的 过 程 。 两 种 载 流 子电 子 (自 由 电 子 )空 穴 两 种 载 流 子 的 运 动自 由 电 子 (在 共 价 键 以 外 )的 运 动空 穴 (在 共 价 键 以 内 )的 运 动 结 论 ：1. 本 征 半 导 体 中 电 子 空 穴 成 对 出 现 ， 且 数 量 少 ； 2. 半 导 体 中 有 电 子 和 空 穴 两 种 载 流 子 参 与 导 电 ； 3. 本 征 半 导 体 导 电 能 力 弱 ， 并 与 温 度 有 关 。两 种 载 流 子 2、 杂 质 半 导 体（ 1） N 型 半 导 体 N 型 +5

4、+4 +4+4 +4+4磷 原 子 自 由 电 子电 子 为 多 数 载 流 子空 穴 为 少 数 载 流 子载 流 子 数 电 子 数 空 穴 多 子电 子 少 子载 流 子 数 空 穴 数施 主离 子施 主原 子 受 主离 子受 主原 子 P 型 +3+4 +4+4 +4+4硼 原 子 空 穴电 子 为 多 数 载 流 子空 穴 为 少 数 载 流 子载 流 子 数 电 子 数 空 穴 多 子电 子 少 子载 流 子 数 空 穴 数施 主离 子施 主原 子 受 主离 子受 主原 子（ 2） P 型 半 导 体 1.2 PN 结1、 PN 结 的 形 成1. 载 流 子 的 浓 度 差 引

5、起 多 子 的 扩 散2. 复 合 使 交 界 面 形 成 空 间 电 荷 区 (耗 尽 层 ) 空 间 电 荷 区 特 点 :无 载 流 子 ， 阻 止 扩 散 进 行 ， 利 于 少 子 的 漂 移 。3. 扩 散 和 漂 移 达 到 动 态 平 衡扩 散 电 流 等 于 漂 移 电 流 ， 总 电 流 I = 0。内建电场PN 结 形 成 2、 PN 结 的 单 向 导 电 性（ 1） 外 加 正 向 电 压 (正 向 偏 置 )P 区 N 区内电场+ U R外电场外 电 场 使 多 子 向 PN 结 移 动 ,中 和 部 分 离 子 使 空 间 电 荷 区 变 窄 。 IF 限 流 电

6、 阻扩 散 运 动 加 强 形 成 正 向 电 流 IF 。IF = I多 子 I少 子 I多 子（ 2） 外 加 反 向 电 压 (反 向 偏 置 )P 区 N 区 +U R内电场外电场外 电 场 使 少 子 背 离 PN 结 移 动 ， 空 间 电 荷 区 变 宽 。IRPN 结 的 单 向 导 电 性 ： 正 偏 导 通 ， 呈 小 电 阻 ， 电 流 较 大 ; 反 偏 截 止 ， 电 阻 很 大 ， 电 流 近 似 为 零 。漂 移 运 动 加 强 形 成 反 向 电 流 IRIR = I少 子 0 PN 结 正 向 偏 置 分 析PN 结 反 向 偏 置 分 析 半 导 体 为 什

7、 么 能 导 电 ?半导体基础知识小结半导体为什么能导电?(动画演示) 2.1 二 极 管 的 结 构2.2 二 极 管 的 主 要 特 性2.3 二 极 管 的 主 要 参 数 2.1 二 极 管 的 结 构构 成 ： PN 结 + 引 线 + 管 壳 = 二 极 管 (Diode)符 号 ： A(anode) C (cathode)分 类 ：按 材 料 分 硅 二 极 管锗 二 极 管 按 结 构 分 点 接 触 型面 接 触 型 点 接 触 型正 极引 线 触 丝N 型 锗 片外 壳 负 极引 线负 极 引 线 面 接 触 型N型 锗 PN 结 正 极 引 线铝 合 金小 球 底 座 金

8、 锑合 金 平 面 型 正 极引 线 负 极引 线集 成 电 路 中 平 面 型PNP 型 支 持 衬 底 2.2 二 极 管 的 主 要 特 性1、 正 向 特 性 与 反 向 特 性O uD /ViD /mA正向特性Uth死 区电 压 iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V (硅 管 )(锗 管 )U Uth iD 急 剧 上 升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V 硅 管 0.7 V(0.1 0.3) V 锗 管 0.2 V反向特性ISU (BR)反向击穿U (BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅 ) 几 十 A (锗 )U U(BR) 反 向 电

9、流 急 剧 增 大 (反 向 击 穿 ) 二 极 管 的 单 向 导 电 性 反 向 击 穿 类 型 ：电 击 穿热 击 穿 PN 结 未 损 坏 ， 断 电 即 恢 复 。 PN 结 烧 毁 。2、 反 向 击 穿 电 压 齐 纳 击 穿 ：(Zener) 反 向 电 场 太 强 ， 将 电 子 强 行 拉 出 共 价 键 。 (击 穿 电 压 6 V， 正 温 度 系 数 )击 穿 电 压 在 6 V 左 右 时 ， 温 度 系 数 趋 近 零 。 硅 管 的 伏 安 特 性 锗 管 的 伏 安 特 性604020 0.02 0.04 0 0.4 0.82550 iD / mA uD /

10、V iD / mA uD / V0.2 0.4 25 50 510150.010.02 0二 极 管 的 伏 安 特 性 3、 温 度 对 二 极 管 特 性 的 影 响604020 0.02 0 0.42550 iD / mA uD / V20C90CT 升 高 时 ，U D(on)以 (2 2.5) mV/ C 下 降 2.3 二 极 管 的 主 要 参 数1. IF 最 大 整 流 电 流 (最 大 正 向 平 均 电 流 )2. URM 最 高 反 向 工 作 电 压 ， 为 U(BR) / 2 3. I R 反 向 电 流 (越 小 单 向 导 电 性 越 好 )4. fM 最 高

11、工 作 频 率 (超 过 时 单 向 导 电 性 变 差 )iD uDU (BR) I FURM O 影 响 工 作 频 率 的 原 因 PN 结 的 电 容 效 应 结 论 ：1. 低 频 时 ， 因 结 电 容 很 小 ， 对 PN 结 影 响 很 小 。 高 频 时 ， 因 容 抗 增 大 ， 使 结 电 容 分 流 ， 导 致 单 向 导 电 性 变 差 。2. 结 面 积 小 时 结 电 容 小 ， 工 作 频 率 高 。 3.1 理 想 二 极 管3.2 二 极 管 的 应 用 电 路 3.1 理 想 二 极 管1、 理 想 模 型特 性 uDiD 符 号 及等 效 模 型 S S

12、正 偏 导 通 ， uD = 0； 反 偏 截 止 ， iD = 0 U(BR) = 2、 恒 压 降 模 型u DiDUD(on) uD = UD(on) 0.7 V (Si)0.2 V (Ge) UD(on)3、 折 线 近 似 模 型uDiDUD(on)U I IUr D斜 率 1/ rD rDUD(on) 例 1.1 二 极 管 电 路 如 图 所 示 ， 试 判 断 图 中 的 二 极 管 是 导 通还 是 截 止 ， 并 求 出 AO两 端 电 压 VAO。 设 二 极 管 是 理 想 的 。 解 : 图 a： 将 D断 开 ， 以 O点 为 电 位 参 考 点 ， D的 阳 极

13、电 位 为 6 V， 阴 极 电 位 为 12 V， 故 D处 于 正 向 偏 置 而 导 通 ，VAO=6 V。 图 b： D的 阳 极 电 位 为 15V， 阴 极 电 位 为 12V， D对 被反 向 偏 置 而 截 止 ， VAO 12V。 图 c： 对 D1有 阳 极 电 位 为 0V， 阴 极 电 位 为 12 V， 故 D1导通 ， 此 后 使 D2的 阴 极 电 位 为 0V， 而 其 阳 极 为 15 V， 故 D2反偏 截 止 ， VAO=0 V。 图 d： 对 D1有 阳 极 电 位 为 12 V， 阴 极 电 位 为 0 V， 对 D2有 阳极 电 位 为 12 V，

14、阴 极 电 位 为 6V 故 D2更 易 导 通 ， 此 后 使 VA 6V； D1反 偏 而 截 止 ， 故 VAO 6V。 理 想 的 。 3.2 二 极 管 的 应 用 电 路1.整 流 电 路 D +-+- R uOui当 ui 0V时 ， D导 通 ， 则 uO=ui当 ui 0V时 ， D截 止 ， 则 uO=0V 由 此 ， 利 用 二 极 管 的 单 向导 电 性 ， 实 现 了 半 波 整 流 。 若 输 入 信 号 为 正 弦 波 ： V O t0ui t0uO 例 1.2 画 出 硅 二 极 管 构 成 的 桥 式 整 流 电 路 在ui = 15sint (V) 作 用

15、 下 输 出 uO 的 波 形 。 (按 理 想 模 型 )RLV1V2 V3V4ui BA uO O tuO/ V15O tui / V15ui BA uOS1S2 S3S4u i BA uOS1S2 S3S4 若 有 条 件 ， 可切 换 到 EWB 环 境 观察 桥 式 整 流 波 形 。 2. 限 幅 电 路 整 流 限 幅 作 用 V, 限 幅 电 平 为 V。 ui 时 二 极 管 导 通 , uo V； ui V, 二 极 管 截 止 , uo ui。 波 形 如 图(a)所 示 。 如 果 Um, 则 限 幅 电 平 为 。 ui , 二极 管 截 止 , uo ui； ui

16、, 二 极 管 导 通 , uo 。 波形 图 如 图 ( )所 示 。 如 果 m , 则 限 幅 电 平 为 E, 波 形 图 如图 ( )所 示 。 例 1.3 二 极 管 双 向 限 幅 电 路 如 图 所 示 ，设 ui 10sint (V)， 二 极 管 为 理 想 器 件 ， 试 画 出 输出 ui和 uo的 波 形 。 的 值 。 解 : ui正 半 周 时 ， V2截 止 。 当 ui 6V时 ， V2截 止 ， uO = ui 。波 形 可 画 出 如 图 所 示 。 V2uiV1时 ， D1、 D2截 止 ,uo=ui t0uiui V1时 ， D1导 通 、 D2截 止

17、 ,uo=V1 ui V2时 ， D2导 通 、 D1截 止 ,uo=V2 由 此 ， 电 路 实 现 双 向 限 幅 功 能 。uOui +-D1 +-+- R D2V1 -V2+-其 中 ： V1为 上 限 幅 电 平 ， V2为 下 限 幅 电 平 。例 1.4 限 幅 电 路 (或 削 波 电 路 ） 如 图 ,画 输 出 波 形 。 t0uOV2V1 3.门 电 路 图 示 为 二 极 管 与 门 电 路 。 当 输 入 端 A与 B同 时 为 高电 平 “ 1”（ +5 V） 时 ， 二极 管 D1、 D2均 截 止 ， R中没 有 电 流 ， 其 上 的 电 压 降为 0 V，

18、输 出 端 L为 高 电 平“ 1”（ +5 V） ； 当 A、 B中 任 何 一 端 为 低 电 平 “ 0”（ 0 V） 或 A、 B端 同 时 为 低 电 平 “ 0”时 ， 二 极 管 D1、 D2的 导 通 使输 出 端 L为 低 电 平 “ 0”（ 0.7 V） 。 即 输 入 与 输 出 信 号 状 态 满 足 “ 与 ” 逻 辑 关 系 。实 现 “ 与 ” 逻 辑 关 系 的 电 路 称 为 “ 与 门 ” 。 例 1.5 二 极 管 构 成 “ 门 ” 电 路 ， 设 V1、 V2 均 为 理想 二 极 管 ， 当 输 入 电 压 UA、 UB 为 低 电 压 0 V 和

19、高电 压 5 V 的 不 同 组 合 时 ， 求 输 出 电 压 UO 的 值 。UA UB UOR 3 kW12 VVDDV1V2BA Y 输 入 电 压 理 想 二 极 管 输 出电 压UA UB V1 V20 V 0 V 正 偏导 通 正 偏导 通 0 V0 V 5 V 正 偏导 通 反 偏截 止 0 V5 V 0 V 反 偏截 止 正 偏导 通 0 V5 V 5 V 正 偏导 通 正 偏导 通 5 V 理想二极管：正 偏 导 通 ， 电 压 降 为 零 ， 相 当 于 开 关 合 上 ；反 偏 截 止 ， 电 流 为 零 ， 相 当 于 开 关 断 开 。恒压降模型：正 偏 电 压 U

20、D(on) 时 导 通 ， 等 效 为 恒 压 源 UD(on)；否 则 截 止 ， 相 当 于 二 极 管 支 路 断 开 。 4 特 殊 二 极 管4.1 稳 压 二 极 管4.2 发 光 二 极 管 4.1 稳 压 二 极 管1. 稳 压 特 性符 号 工 作 条 件 ：反 向 击 穿iZ /mAu Z/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特 性 2. 基 本 参 数1)稳 定 电 压 UZ 流 过 规 定 电 流 时 稳 压 管 两 端 的 反 向 电 压 值 。2)稳 定 电 流 IZ 越 大 稳 压 效 果 越 好 ， 小 于 Imin 时 不 稳 压 。3)最 大 工

21、作 电 流 IZM 最 大 耗 散 功 率 P ZMP ZM = UZ IZM4)动 态 电 阻 rZrZ = UZ / IZ 越 小 稳 压 效 果 越 好 。几 W 几 十 W 3. 分 析 简 单 稳 压 电 路 的 工 作 原 理 ， R 为 限 流 电 阻 。IR = IZ + ILUO= UI IR R 当 UI 波 动 时 (RL不 变 ) O RZOL U IIUR IU OU ZI RIOU 反 之 亦 然当 RL 变 化 时 (UI 不 变 )反 之 亦 然UI UOR RLILIR IZ 4.2 发 光 二 极 管1.发 光 二 极 管 LED1)符 号 和 特 性工 作

22、 条 件 ： 正 向 偏 置一 般 工 作 电 流 几 十 mA， 导 通 电 压 (1 2) V2)主 要 参 数电 学 参 数 ： I FM ， U(BR) ， IR光 学 参 数 ： 峰 值 波 长 P， 亮 度 L， 光 通 量 发 光 类 型 ： 可 见 光 ： 红 、 黄 、 绿显 示 类 型 ： 普 通 LED ，不 可 见 光 ： 红 外 光 ， 点 阵 LED符号u /Vi /mAO 2特性七 段 LED 点 式 LED字 段 式 LED点 阵 式 LED 光 柱 式 LEDLED 的 类 型 2.光 敏 二 极 管1)符 号 和 特 性符号特性uiO暗电流E = 200 l

23、xE = 400 lx 工 作 条 件 ：反 向 偏 置2)主 要 参 数电 学 参 数 ：暗 电 流 ， 光 电 流 ， 最 高 工 作 范 围光 学 参 数 ：光 谱 范 围 ， 灵 敏 度 ， 峰 值 波 长 实 物 照 片 结 构 与 普 通 二 极 管 相 似 ， 只 是 在 管壳 上 留 有 一 个 能 使 光 线 照 入 的 窗 口 。 补 充 ： 选 择 二 极 管 限 流 电 阻步 骤 ：1. 设 定 工 作 电 压 (如 0.7 V； 2 V (LED)； UZ )2. 确 定 工 作 电 流 (如 1 mA； 10 mA； 5 mA)3. 根 据 欧 姆 定 律 求 电

24、阻 R = (U I UD)/ ID(R 要 选 择 标 称 值 )RUI UDID 55.1二 极 管 的 型 号 与 参 数 选 录5.2二 极 管 的 识 别 与 检 测 5.1 二 极 管 的 型 号 与 参 数 选 录国 产 二 极 管 的 型 号 由 五 个 部 分 组 成 。 其 型 号 组 成 部 分 的 符 号及 其 意 义 见 表 11。2AP9 用 数 字 代 表 同 类 器 件 的 不 同 规 格 。代 表 器 件 的 类 型 ， P为 普 通 管 ， Z为 整 流 管 ， K为 开 关 管 。代 表 器 件 的 材 料 ， A为 N型 Ge， B为 P型 Ge， C为

25、 N 型 Si， D为 P型 Si。2代 表 二 极 管 ， 3代 表 三 极 管 。 第 一 部 分 第 二 部 分 第 三 部 分 第 四部 分 第 五部 分用 数 字 表 示器 件 电 极 的数 目 用 汉 语 拼 音 字 母表 示 器 件 的 材 料和 极 性 用 汉 语 拼 音 字 母表 示 器 件 的 类 型 用 数字 表示 器件 序号 用 汉语 拼音 表示 规格 的区 别代 号符号 意 义 符号 意 义 符号 意 义 符号 意 义23 二 极 管三 极 管 ABCDABCD E N型 ， 锗 材 料P型 ， 锗 材 料N型 ， 硅 材 料P型 ， 硅 材 料PNP型 ， 锗 材料

26、NPN型 ， 锗 材料PNP型 ， 硅 材料NPN型 ， 硅 材料化 合 物 材 料 PVWCZLSNUKXG 普 通 管微 波 管稳 压 管参 量 管整 流 管整 流 堆隧 道 管阻 尼 管光 电 器 件开 关 管低 频 小 功 率 管（ fm 3MHz,PC1W）高 频 小 功 率 管(fm 3MHz,PC1W） DATYBJCSBTFHPINJG 低 频 大 功 率 管(fm 3MHz,PC1W)高 频 大 功 率 管(fm 3MHzPC1W）半 导 体 闸 流 管(可 控 硅 整 流 器 )体 效 应 器 件雪 崩 管阶 跃 恢 复 管场 效 应 器 件半 导 体 特 殊 器 件复 合

27、 管PIN型 管激 光 器 件 表 1-1国 产 半 导 体 分 立 器 件 型 号 命 名 法 参 数 型 号 最 大整 流电 流/mA 正 向电 流/mA 正 向 压降 (在 左栏 电 流值 下 )/V 反 向 击穿 电 压/V 最 高反 向工 作电 压/V 反 向电 流/A 零 偏 压电 容 /pF 反 向 恢复 时 间/ns2AP9 16 2.5 1 40 20 250 1 fH(MHz)1502AP7 5 150 1002AP11 25 10 1 10 250 1 fH(MHz)402AP17 15 10 100表 1 2 部 分 半 导 体 二 极 管 参 数 （ 1） 部 分 常

28、 用 检 波 二 极 管 参 数 参 数型号 最 大 整流 电 流/mA 正 向电 流/mA 正 向 压 降(在 左 栏电 流 值下 )/V 反 向 击 穿电 压 /V 最 高 反向 工 作电 压 /V 反 向电 流/A 零 偏 压电 容/pF 反 向 恢 复时 间 /ns2CZ52B H 2 0.1 1 25 600 同 2AP普通 二 极 管2CZ53B M 6 0.3 1 50 10002CZ54B M 10 0.5 1 50 10002CZ55B M 20 1 1 50 10002CZ56B 65 3 0.8 25 （ 2） 部 分 整 流 二 极 管 参 数 测 试 条 件 参 数型

29、 号 工 作 电 流 为稳 定 电 流 稳 定 电压 下 环 境 温 度50oC 稳 定 电流 下 稳 定 电 流 下 环 境 温 度 10oC稳 定 电 压/V 稳 定 电流 /mA 最 大 稳 定电 流 /mA 反 向 漏 电流 动 态 电阻 /W 电 压 温 度 系数 /10-4/oC 最 大 耗 散功 率 /W2CW51 2.53.5 10 71 5 60 -9 0.252CW52 3.24.5 55 2 70 -82CW53 45.8 41 1 50 -642CW54 5.56.5 38 0.5 30 -352CW56 78.8 27 15 72CW57 8.59.8 26 20 8

30、2CW59 1011.8 5 20 30 92CW60 11.512.5 19 40 9 2CW103 45.8 50 165 1 20 -64 12CW110 11.512.5 20 76 0.5 20 92CW113 1619 10 52 0.5 40 112CW1A 5 30 240 20 12CW6C 15 30 70 8 12CW7C 6.06.5 10 30 10 0.05 0.2 （ 3） 常 用 稳 压 二 极 管 的 主 要 参 数 5.2 二 极 管 的 识 别 与 检 测1. 目 测 判 别 极 性触 丝 半 导 体 片 2. 用 万 用 表 检 测 二 极 管在 R 1

31、 k 挡 进 行 测 量 ，红 表 笔 是 (表 内 电 源 )负 极 ，黑 表 笔 是 (表 内 电 源 )正 极 。测 量 时 手 不 要 接 触 引 脚 。(1) 用 指 针 式 万 用 表 检 测 一 般 硅 管 正 向 电 阻 为 几 千欧 ， 锗 管 正 向 电 阻 为 几 百 欧 。 正 反 向 电 阻 相 差 不 大 为 劣质 管 。 正 反 向 电 阻 都 是 无 穷 大 或零 则 二 极 管 内 部 断 路 或 短 路 。1k 0 (2) 用 数 字 式 万 用 表 检 测红 表 笔 是 (表 内 电 源 )正 极 ，黑 表 笔 是 (表 内 电 源 )负 极 。2k 20

32、k 200k 2M20M200W 在 挡 进 行 测 量 ， 当 PN 结 完 好 且 正 偏 时 ， 显 示 值 为PN 结 两 端 的 正 向 压 降 (V)。反 偏 时 ， 显 示 。 一 、 两 种 半 导 体 和 两 种 载 流 子两 种 载 流子 的 运 动 电 子 自 由 电 子空 穴 价 电 子 两 种半 导 体 N 型 (多 电 子 )P 型 (多 空 穴 )二 极 管 单 向正 向 电 阻 小 (理 想 为 0)， 反 向 电 阻 大 ()。)1e( DSD TUuIi )1e( ,0 DSDD TUuIiu 0 ,0 SD IIu iD O uDU (BR) I FURM

33、正 向 最 大 平 均 电 流 IF反 向 最 大 反 向 工 作 电 压 U(BR)(超 过 则 击 穿 )反 向 饱 和 电 流 IR (IS)(受 温 度 影 响 ) IS 6 小 结 3. 二 极 管 的 等 效 模 型理 想 模 型 (大 信 号 状 态 采 用 ) uDiD正 偏 导 通 电 压 降 为 零 相 当 于 理 想 开 关 闭 合反 偏 截 止 电 流 为 零 相 当 于 理 想 开 关 断 开恒 压 降 模 型 UD(on)正 偏 电 压 UD(on) 时 导 通 等 效 为 恒 压 源 UD(on)否 则 截 止 ， 相 当 于 二 极 管 支 路 断 开U D(on) = (0.6 0.8) V 估 算 时 取 0.7 V硅 管 ：锗 管 ： (0.1 0.3) V 0.2 V折 线 近 似 模 型相 当 于 有 内 阻 的 恒 压 源 UD(on) 4. 二 极 管 的 分 析 方 法图 解 法微 变 等 效 电 路 法5. 特 殊 二 极 管 工 作 条 件 主 要 用 途稳 压 二 极 管 反 偏 稳 压发 光 二 极 管 正 偏 发 光光 敏 二 极 管 反 偏 光 电 转 换