了解光电二极管工作的光伏和光导模式

　　在本文中，我们将探讨两种光电二极管实现的优势。

　　在实现光电二极管时，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。

　　这是我们光电二极管简介系列的第三部分，探讨了这些器件的技术细节，这些器件以各种形式响应高频电磁辐射：

　　光的本质和pn连接

　　光敏pn结的物理操作

　　了解光电二极管工作的光伏和光导模式

　　不同光电二极管技术的特点

　　了解光电二极管等效电路

　　光电流

　　光电二极管的基本输出是流过器件从阴极到阳极的电流，与照度大致成线性比例。 （但请记住，光电流的大小也受到入射光波长的影响 -下一篇文章将对此进行更多介绍。 光电流被转换为电压，以便通过串联电阻器或电流-电压放大器进行进一步的信号处理。

　　光电二极管的光电流关系的细节将根据二极管的偏置条件而变化。 这就是光伏模式和光导模式之间区别的本质：在光伏实现中，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。

　　暗电流

　　影响光电二极管系统的主要非理想性称为暗电流，因为即使没有照明，电流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。 如果低光强度产生与暗电流大小相似的光电流，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的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，作为暗电流大小的随机变化而观察到。 系统无法测量光强度，其相关的光电流非常小，以至于在暗噪声中丢失。

　　光电二极管电路中的光伏模式

　　下图是光伏实现的示例。

　　

　　该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，电流与电压比由反馈电阻RF的值决定。 运算放大器的同相输入端接地，如果我们应用虚拟短路假设，我们知道反相输入端将始终处于大约0

V。 因此，光电二极管的阴极和阳极均保持在0 V。

　　我不相信“光伏”是这种基于运算放大器的实现方案的完全准确的名称。 我不认为光电二极管的功能就像太阳能电池一样，通过光伏效应产生电压。 但“光伏”是公认的术语，不管我喜不喜欢。

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将相同的TIA与光电二极管一起使用，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

　　光伏模式的优点是减少了暗电流。 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。

　　光电二极管中也会发生同样的事情，但反向电流称为暗电流。 较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近似零偏置，我们几乎消除了暗电流。 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地。 阴极仍处于 0 V，但阳极处于低于 0 V的电压; 因此，光电二极管是反向偏置的。

　　

　　何时使用光导模式

　　对pn结施加反向偏置电压会导致耗尽区域变宽。 这在光电二极管应用中有两个有益的影响。 首先，更宽的耗尽区域使光电二极管更敏感，如上一篇文章所述。 因此，当您想要产生相对于照度的更多输出信号时，光电导模式是一个不错的选择。

　　其次，更宽的耗尽区域会降低光电二极管的结电容。 在上图所示的电路中，反馈电阻和结电容（以及其他电容源）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，降低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响应照度快速变化的能力时，光电导模式是可取的。

　　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的测量，您可以使用光导模式，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。 这个情节，取自他们的 硅光电二极管手册，让您了解通过增加反向偏置电压可以扩展光电二极管的线性响应区域多少。

　　回顾

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