了解光電二極管工作的光伏和光導(dǎo)模式

在本文中，我們將探討兩種光電二極管實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)現(xiàn)光電二極管時(shí)，何時(shí)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(jì)選擇。

這是我們光電二極管簡(jiǎn)介系列的第三部分，探討了這些器件的技術(shù)細(xì)節(jié)，這些器件以各種形式響應(yīng)高頻電磁輻射：

光的本質(zhì)和pn連接

光敏pn結(jié)的物理操作

了解光電二極管工作的光伏和光導(dǎo)模式

不同光電二極管技術(shù)的特點(diǎn)

了解光電二極管等效電路

光電流

光電二極管的基本輸出是流過(guò)器件從陰極到陽(yáng)極的電流，與照度大致成線性比例。 （但請(qǐng)記住，光電流的大小也受到入射光波長(zhǎng)的影響 -下一篇文章將對(duì)此進(jìn)行更多介紹。 光電流被轉(zhuǎn)換為電壓，以便通過(guò)串聯(lián)電阻器或電流-電壓放大器進(jìn)行進(jìn)一步的信號(hào)處理。

光電二極管的光電流關(guān)系的細(xì)節(jié)將根據(jù)二極管的偏置條件而變化。 這就是光伏模式和光導(dǎo)模式之間區(qū)別的本質(zhì)：在光伏實(shí)現(xiàn)中，光電二極管周?chē)碾娐肥龟?yáng)極和陰極保持相同的電位; 換句話說(shuō)，二極管是零偏置的。 在光電導(dǎo)實(shí)現(xiàn)中，光電二極管周?chē)碾娐肥┘臃聪蚱?，這意味著陰極的電位高于陽(yáng)極。

暗電流

影響光電二極管系統(tǒng)的主要非理想性稱(chēng)為暗電流，因?yàn)榧词箾](méi)有照明，電流也會(huì)流過(guò)光電二極管。 流過(guò)二極管的總電流是暗電流和光電流的總和。 如果低光強(qiáng)度產(chǎn)生與暗電流大小相似的光電流，暗電流將限制系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)量低光強(qiáng)度的能力。

暗電流的有害影響可以通過(guò)從二極管電流中減去預(yù)期的暗電流的技術(shù)來(lái)減輕。 然而，暗電流伴隨著暗噪聲，即一種散粒噪聲形式，作為暗電流大小的隨機(jī)變化而觀察到。 系統(tǒng)無(wú)法測(cè)量光強(qiáng)度，其相關(guān)的光電流非常小，以至于在暗噪聲中丟失。

光電二極管電路中的光伏模式

下圖是光伏實(shí)現(xiàn)的示例。

該運(yùn)算放大器電路稱(chēng)為跨阻放大器（TIA）。 它專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電流與電壓比由反饋電阻RF的值決定。 運(yùn)算放大器的同相輸入端接地，如果我們應(yīng)用虛擬短路假設(shè)，我們知道反相輸入端將始終處于大約0

V。 因此，光電二極管的陰極和陽(yáng)極均保持在0 V。

我不相信“光伏”是這種基于運(yùn)算放大器的實(shí)現(xiàn)方案的完全準(zhǔn)確的名稱(chēng)。 我不認(rèn)為光電二極管的功能就像太陽(yáng)能電池一樣，通過(guò)光伏效應(yīng)產(chǎn)生電壓。 但“光伏”是公認(rèn)的術(shù)語(yǔ)，不管我喜不喜歡。

我認(rèn)為“零偏置模式”更好，因?yàn)槲覀兛梢栽诠夥蚬怆妼?dǎo)模式下將相同的TIA與光電二極管一起使用，因此沒(méi)有反向偏置電壓是最顯著的區(qū)別因素。

何時(shí)使用光伏模式

光伏模式的優(yōu)點(diǎn)是減少了暗電流。 在普通二極管中，施加反向偏置電壓會(huì)增加反向電流，因?yàn)榉聪蚱脮?huì)降低擴(kuò)散電流，但不會(huì)降低漂移電流，而且還因?yàn)樾孤?/p>

光電二極管中也會(huì)發(fā)生同樣的事情，但反向電流稱(chēng)為暗電流。 較高的反向偏置電壓會(huì)導(dǎo)致更多的暗電流，因此通過(guò)使用運(yùn)算放大器將光電二極管保持在近似零偏置，我們幾乎消除了暗電流。 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導(dǎo)模式

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

何時(shí)使用光導(dǎo)模式

對(duì)pn結(jié)施加反向偏置電壓會(huì)導(dǎo)致耗盡區(qū)域變寬。 這在光電二極管應(yīng)用中有兩個(gè)有益的影響。 首先，更寬的耗盡區(qū)域使光電二極管更敏感，如上一篇文章所述。 因此，當(dāng)您想要產(chǎn)生相對(duì)于照度的更多輸出信號(hào)時(shí)，光電導(dǎo)模式是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

其次，更寬的耗盡區(qū)域會(huì)降低光電二極管的結(jié)電容。 在上圖所示的電路中，反饋電阻和結(jié)電容（以及其他電容源）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，降低電容會(huì)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(cè)器響應(yīng)照度快速變化的能力時(shí)，光電導(dǎo)模式是可取的。

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)確的測(cè)量，您可以使用光導(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(qǐng)記住，更多的反向偏置也會(huì)增加暗電流。

濱松是光電探測(cè)器的領(lǐng)先制造商。 這個(gè)情節(jié)，取自他們的 硅光電二極管手冊(cè)，讓您了解通過(guò)增加反向偏置電壓可以擴(kuò)展光電二極管的線性響應(yīng)區(qū)域多少。

回顧

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