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現(xiàn)的優(yōu)勢。

在實現(xiàn)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信息以及與之相關(guān)的設(shè)計選擇。

這是我們光電二極管簡介系列的第三部分，探討了這些器件的技術(shù)細節(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

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器件從陰極到陽極的電流，與照度大致成線性比例。 （但請記住，光電流的大小也受到入射光波長的影響 -下一篇文章將對此進行更多介紹。 光電流被轉(zhuǎn)換為電壓，以便通過串聯(lián)電阻器或電流-電壓放大器進行進一步的信號處理。

光電二極管的光電流關(guān)系的細節(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)：在光伏實現(xiàn)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。

暗電流

影響光電二極管系統(tǒng)的主要非理想性稱為暗電流，因為即使沒有照明，電流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。 如果低光強度產(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)期的暗電流的技術(shù)來減輕。 然而，暗電流伴隨著暗噪聲，即一種散粒噪聲形式，作為暗電流大小的隨機變化而觀察到。 系統(tǒng)無法測量光強度，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

下圖是光伏實現(xiàn)的示例。

該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，電流與電壓比由反饋電阻RF的值決定。 運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極均保持在0 V。

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

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)模式下將相同的TIA與光電二極管一起使用，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)點是減少了暗電流。 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散電流，但不會降低漂移電流，而且還因為泄漏。

光電二極管中也會發(fā)生同樣的事情，但反向電流稱為暗電流。 較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電壓電源而不是地。 陰極仍處于 0 V，但陽極處于低于 0 V的電壓; 因此，光電二極管是反向偏置的。

何時使用光導(dǎo)模式

對pn結(jié)施加反向偏置電壓會導(dǎo)致耗盡區(qū)域變寬。 這在光電二極管應(yīng)用中有兩個有益的影響。 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)生相對于照度的更多輸出信號時，光電導(dǎo)模式是一個不錯的選擇。

其次，更寬的耗盡區(qū)域會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響應(yīng)照度快速變化的能力時，光電導(dǎo)模式是可取的。

最后，反向偏置還擴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。 這個情節(jié)，取自他們的 硅光電二極管手冊，讓您了解通過增加反向偏置電壓可以擴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、更寬的帶寬和改進的線性度。 光伏模式采用零偏置并最大限度地減少暗電流。