光電二極管何時應使用光伏和光電導模式？

實施光電二極管時，何時應使用光伏和光電導模式？在本文中，我們將討論這些模式的詳細信息以及與之相關的設計選擇。

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——下一篇文章將詳細介紹這一點。）光電流被轉換為電壓，以便通過串聯電阻或電流進行進一步的信號處理電壓放大器。

光電二極管的光與電流關系的細節將根據二極管的偏置條件而變化。這是光伏模式和光電導模式之間區別的本質：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。在光電導實現中，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。如果這些強度產生的光電流與暗電流的幅度相似，那么暗電流將限制系統準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期暗電流的技術來減輕。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變化。系統無法測量相關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）。它專門設計用于將電流信號轉換為電壓信號，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，如果我們應用虛擬短路假設，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的完全準確的名稱。我認為光電二極管的功能不像太陽能電池那樣通過光伏效應產生電壓。但是“光伏”是公認的術語，無論我喜歡與否。我認為“零偏置模式”更好，因為我們可以在光伏或光電導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別因素。

何時使用光伏模式

光伏模式的優點是暗電流的減少。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用。

光電二極管電路中的光電導模式

為了將上述檢測器電路切換到光電導模式，我們將光電二極管的陽極連接到負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。

何時使用光電導模式

向 pn 結施加反向偏置電壓會導致耗盡區變寬。這在光電二極管應用中具有兩個有益效果。首先，如前文所述，更寬的耗盡區使光電二極管更靈敏。因此，當您想要相對于照度產生更多輸出信號時，光電導模式是一個不錯的選擇。

其次，更寬的耗盡區會降低光電二極管的結電容。在上面顯示的電路中，反饋電阻和結電容（以及其他電容來源）的存在限制了系統的閉環帶寬。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，光電導模式允許更寬的帶寬，當您需要最大限度地提高探測器對照度快速變化的響應能力時，這種模式更可取。

最后，反向偏置還擴展了光電二極管的線性工作范圍。如果您擔心在高照度下保持準確測量，您可以使用光電導模式，然后根據您的系統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區域擴展多少。

回顧

基于光電二極管的檢測器系統的性能受光電二極管偏置條件的影響。光電導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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