了解光電二極管操作的光伏和光電導(dǎo)模式

光電二極管的基本輸出是從陰極流過器件到陽極的電流，與照度大致成線性比例。（不過請記住，光電流的大小也受入射光波長的影響——在下一篇文章中將對此進(jìn)行更多介紹。）光電流通過串聯(lián)電阻或電流轉(zhuǎn)換為電壓以進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理- 電壓放大器。

光電流

光電二極管的基本輸出是從陰極流過器件到陽極的電流，與照度大致成線性比例。（不過請記住，光電流的大小也受入射光波長的影響——在下一篇文章中將對此進(jìn)行更多介紹。）光電流通過串聯(lián)電阻或電流轉(zhuǎn)換為電壓以進(jìn)行進(jìn)一步的信號處理- 電壓放大器。

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)實施中，光電二極管周圍的電路施加反向偏壓，這意味著陰極的電勢高于陽極。

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，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。如果這些強(qiáng)度產(chǎn)生的光電流大小與暗電流的大小相似，則暗電流將限制系統(tǒng)準(zhǔn)確測量低光強(qiáng)度的能力。

可以通過從二極管電流中減去預(yù)期暗電流的技術(shù)來減輕暗電流的有害影響。然而，暗電流伴隨著暗噪聲，即作為暗電流幅度的隨機(jī)變化觀察到的散粒噪聲的一種形式。系統(tǒng)無法測量其相關(guān)光電流小到在暗噪聲中丟失的光強(qiáng)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。我不認(rèn)為光電二極管的功能類似于通過光伏效應(yīng)產(chǎn)生電壓的太陽能電池。但是“光伏”是公認(rèn)的術(shù)語，不管我喜不喜歡。“零偏置模式”更好，我認(rèn)為，因為我們可以（找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城）在光伏或光電導(dǎo)模式下使用相同的 TIA 和光電二極管，因此沒有反向偏置電壓是顯著的區(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，而且還會因為泄漏。

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

要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。陰極仍為 0 V，但陽極電壓低于 0 V；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)用的背景下有兩個有益的影響。首先，如上一篇文章所述，較寬的耗盡區(qū)會使光電二極管更敏感。因此，當(dāng)您想要產(chǎn)生與照度相關(guān)的更多輸出信號時，光電導(dǎo)模式是一個不錯的選擇。

其次，較寬的耗盡區(qū)會降低光電二極管的結(jié)電容。在上面所示的電路中，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，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，并且當(dāng)您需要化檢測器響應(yīng)照度快速變化的能力時更可取。

反向偏壓還擴(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，更多的反向偏壓也會增加暗電流。

Hamamatsu 是的光電探測器制造商。該圖摘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將光電二極管的線性響應(yīng)區(qū)域擴(kuò)展多少。

審核編輯黃宇