了解光電二極管工作的光伏和光導模式

在本文中，我們將探討兩種光電二極管實現的優勢。

在實現光電二極管時，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。

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細節，這些器件以各種形式響應高頻電磁輻射：

光的本質和pn連接

光敏pn結的物理操作

了解光電二極管工作的光伏和光導模式

不同光電二極管技術的特點

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。 光電流被轉換為電壓，以便通過串聯電阻器或電流-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系的細節將根據二極管的偏置條件而變化。 這就是光伏模式和光導模式之間區別的本質：在光伏實現中，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。

暗電流

影響光電二極管系統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。 如果低光強度產生與暗電流大小相似的光電流，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的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，作為暗電流大小的隨機變化而觀察到。 系統無法測量光強度，其相關的光電流非常小，以至于在暗噪聲中丟失。

光電二極管電路中的光伏模式

下圖是光伏實現的示例。

該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，如果我們應用虛擬短路假設，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方案的完全準確的名稱。 我不認為光電二極管的功能就像太陽能電池一樣，通過光伏效應產生電壓。 但“光伏”是公認的術語，不管我喜不喜歡。

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別因素。

何時使用光伏模式

光伏模式的優點是減少了暗電流。 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用。

光電二極管電路中的光導模式

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。

何時使用光導模式

對pn結施加反向偏置電壓會導致耗盡區域變寬。 這在光電二極管應用中有兩個有益的影響。 首先，更寬的耗盡區域使光電二極管更敏感，如上一篇文章所述。 因此，當您想要產生相對于照度的更多輸出信號時，光電導模式是一個不錯的選擇。

其次，更寬的耗盡區域會降低光電二極管的結電容。 在上圖所示的電路中，反饋電阻和結電容（以及其他電容源）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，降低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響應照度快速變化的能力時，光電導模式是可取的。

最后，反向偏置還擴展了光電二極管的線性工作范圍。 如果您擔心在高照度下保持準確的測量，您可以使用光導模式，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。 這個情節，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區域多少。

回顧

基于光電二極管的檢波器系統的性能受光電二極管偏置條件的影響。 光導模式采用反向偏置，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。