光電二極管何時應(yīng)使用光伏和光電導(dǎo)模式？

實施光電二極管時，何時應(yīng)使用光伏和光電導(dǎo)模式？在本文中，我們將討論這些模式的詳細(xì)信息以及與之相關(guān)的設(shè)計選擇。

光電流

光電二極管的基本輸出是從陰極流向陽極的電流，并且與照度近似成線性比例。（但請記住，光電流的大小也受入射光波長的影響——下一篇文章將詳細(xì)介紹這一點。）光電流被轉(zhuǎn)換為電壓，以便通過串聯(lián)電阻或電流進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理電壓放大器。

光電二極管的光與電流關(guān)系的細(xì)節(jié)將根據(jù)二極管的偏置條件而變化。這是光伏模式和光電導(dǎo)模式之間區(qū)別的本質(zhì)：在光伏實施中，光電二極管周圍的電路使陽極和陰極保持相同的電位；換句話說，二極管是零偏置的。在光電導(dǎo)實現(xiàn)中，光電二極管周圍的電路施加反向偏置，這意味著陰極的電位高于陽極的電位。

暗電流

影響光電二極管系統(tǒng)的主要非理想情況稱為暗電流，因為即使沒有照明，它也會流過光電二極管。流過二極管的總電流是暗電流和光電流的總和。如果這些強度產(chǎn)生的光電流與暗電流的幅度相似，那么暗電流將限制系統(tǒng)準(zhǔn)確測量低光強度的能力。

暗電流的有害影響可以通過從二極管電流中減去預(yù)期暗電流的技術(shù)來減輕。然而，暗電流伴隨著暗噪聲，即一種散粒噪聲形式，觀察到暗電流幅度的隨機(jī)變化。系統(tǒng)無法測量相關(guān)光電流小到會在暗噪聲中丟失的光強度。

光電二極管電路中的光伏模式

下圖是光伏實施的示例。

這種運算放大器電路稱為跨阻放大器 （TIA）。它專門設(shè)計用于將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，電流電壓比由反饋電阻 RF 的值決定。運算放大器的同相輸入端子接地，如果我們應(yīng)用虛擬短路假設(shè)，我們知道反相輸入端子將始終處于大約 0 V。因此，光電二極管的陰極和陽極都保持在 0 V。

我不相信“光伏”是這種基于運算放大器的實現(xiàn)的完全準(zhǔn)確的名稱。我認(rèn)為光電二極管的功能不像太陽能電池那樣通過光伏效應(yīng)產(chǎn)生電壓。但是“光伏”是公認(rèn)的術(shù)語，無論我喜歡與否。我認(rèn)為“零偏置模式”更好，因為我們可以在光伏或光電導(dǎo)模式下使用與光電二極管相同的 TIA，因此沒有反向偏置電壓是最顯著的區(qū)別因素。

何時使用光伏模式

光伏模式的優(yōu)點是暗電流的減少。在普通二極管中，施加反向偏置電壓會增加反向電流，因為反向偏置會降低擴(kuò)散電流但不會降低漂移電流，而且還因為泄漏。

同樣的事情發(fā)生在光電二極管中，但反向電流稱為暗電流。更高的反向偏置電壓會導(dǎo)致更多的暗電流，因此通過使用運算放大器將光電二極管保持在大約零偏置，我們實際上消除了暗電流。因此，光伏模式適用于需要最大化低照度性能的應(yīng)用。

光電二極管電路中的光電導(dǎo)模式

為了將上述檢測器電路切換到光電導(dǎo)模式，我們將光電二極管的陽極連接到負(fù)電壓電源而不是接地。陰極仍處于 0 V，但陽極處于低于 0 V 的某個電壓；因此，光電二極管是反向偏置的。

何時使用光電導(dǎo)模式

向 pn 結(jié)施加反向偏置電壓會導(dǎo)致耗盡區(qū)變寬。這在光電二極管應(yīng)用中具有兩個有益效果。首先，如前文所述，更寬的耗盡區(qū)使光電二極管更靈敏。因此，當(dāng)您想要相對于照度產(chǎn)生更多輸出信號時，光電導(dǎo)模式是一個不錯的選擇。

其次，更寬的耗盡區(qū)會降低光電二極管的結(jié)電容。在上面顯示的電路中，反饋電阻和結(jié)電容（以及其他電容來源）的存在限制了系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬。與基本的 RC 低通濾波器一樣，減小電容會增加截止頻率。因此，光電導(dǎo)模式允許更寬的帶寬，當(dāng)您需要最大限度地提高探測器對照度快速變化的響應(yīng)能力時，這種模式更可取。

最后，反向偏置還擴(kuò)展了光電二極管的線性工作范圍。如果您擔(dān)心在高照度下保持準(zhǔn)確測量，您可以使用光電導(dǎo)模式，然后根據(jù)您的系統(tǒng)要求選擇反向偏置電壓。但請記住，更多的反向偏置也會增加暗電流。

濱松是光電探測器的領(lǐng)先制造商。該圖取自他們的《硅光電二極管手冊》，可讓您了解通過增加反向偏置電壓可以將光電二極管的線性響應(yīng)區(qū)域擴(kuò)展多少。

回顧

基于光電二極管的檢測器系統(tǒng)的性能受光電二極管偏置條件的影響。光電導(dǎo)模式采用反向偏置并提供更高的靈敏度、更寬的帶寬和改進(jìn)的線性度。光伏模式采用零偏壓并最大限度地減少暗電流。
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