光电二极管何时应使用光伏和光电导模式？

实施光电二极管时，何时应使用光伏和光电导模式？在本文中，我们将讨论这些模式的详细信息以及与之相关的设计选择。

光电流

光电二极管的基本输出是从阴极流向阳极的电流，并且与照度近似成线性比例。（但请记住，光电流的大小也受入射光波长的影响——下一篇文章将详细介绍这一点。）光电流被转换为电压，以便通过串联电阻或电流进行进一步的信号处理电压放大器。

光电二极管的光与电流关系的细节将根据二极管的偏置条件而变化。这是光伏模式和光电导模式之间区别的本质：在光伏实施中，光电二极管周围的电路使阳极和阴极保持相同的电位；换句话说，二极管是零偏置的。在光电导实现中，光电二极管周围的电路施加反向偏置，这意味着阴极的电位高于阳极的电位。

暗电流

影响光电二极管系统的主要非理想情况称为暗电流，因为即使没有照明，它也会流过光电二极管。流过二极管的总电流是暗电流和光电流的总和。如果这些强度产生的光电流与暗电流的幅度相似，那么暗电流将限制系统准确测量低光强度的能力。

暗电流的有害影响可以通过从二极管电流中减去预期暗电流的技术来减轻。然而，暗电流伴随着暗噪声，即一种散粒噪声形式，观察到暗电流幅度的随机变化。系统无法测量相关光电流小到会在暗噪声中丢失的光强度。

光电二极管电路中的光伏模式

下图是光伏实施的示例。

这种运算放大器电路称为跨阻放大器 （TIA）。它专门设计用于将电流信号转换为电压信号，电流电压比由反馈电阻 RF 的值决定。运算放大器的同相输入端子接地，如果我们应用虚拟短路假设，我们知道反相输入端子将始终处于大约 0 V。因此，光电二极管的阴极和阳极都保持在 0 V。

我不相信“光伏”是这种基于运算放大器的实现的完全准确的名称。我认为光电二极管的功能不像太阳能电池那样通过光伏效应产生电压。但是“光伏”是公认的术语，无论我喜欢与否。我认为“零偏置模式”更好，因为我们可以在光伏或光电导模式下使用与光电二极管相同的 TIA，因此没有反向偏置电压是最显着的区别因素。

何时使用光伏模式

光伏模式的优点是暗电流的减少。在普通二极管中，施加反向偏置电压会增加反向电流，因为反向偏置会降低扩散电流但不会降低漂移电流，而且还因为泄漏。

同样的事情发生在光电二极管中，但反向电流称为暗电流。更高的反向偏置电压会导致更多的暗电流，因此通过使用运算放大器将光电二极管保持在大约零偏置，我们实际上消除了暗电流。因此，光伏模式适用于需要最大化低照度性能的应用。

光电二极管电路中的光电导模式

为了将上述检测器电路切换到光电导模式，我们将光电二极管的阳极连接到负电压电源而不是接地。阴极仍处于 0 V，但阳极处于低于 0 V 的某个电压；因此，光电二极管是反向偏置的。

何时使用光电导模式

向 pn 结施加反向偏置电压会导致耗尽区变宽。这在光电二极管应用中具有两个有益效果。首先，如前文所述，更宽的耗尽区使光电二极管更灵敏。因此，当您想要相对于照度产生更多输出信号时，光电导模式是一个不错的选择。

其次，更宽的耗尽区会降低光电二极管的结电容。在上面显示的电路中，反馈电阻和结电容（以及其他电容来源）的存在限制了系统的闭环带宽。与基本的 RC 低通滤波器一样，减小电容会增加截止频率。因此，光电导模式允许更宽的带宽，当您需要最大限度地提高探测器对照度快速变化的响应能力时，这种模式更可取。

最后，反向偏置还扩展了光电二极管的线性工作范围。如果您担心在高照度下保持准确测量，您可以使用光电导模式，然后根据您的系统要求选择反向偏置电压。但请记住，更多的反向偏置也会增加暗电流。

滨松是光电探测器的领先制造商。该图取自他们的《硅光电二极管手册》，可让您了解通过增加反向偏置电压可以将光电二极管的线性响应区域扩展多少。

回顾

基于光电二极管的检测器系统的性能受光电二极管偏置条件的影响。光电导模式采用反向偏置并提供更高的灵敏度、更宽的带宽和改进的线性度。光伏模式采用零偏压并最大限度地减少暗电流。
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