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(qǐng)記住，光電流的大小也受入射光波長(zhǎng)的影響——在下一篇文章中將對(duì)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(hào)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(qǐng)記住，光電流的大小也受入射光波長(zhǎng)的影響——在下一篇文章中將對(duì)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(hào)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(shí)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(shí)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(shì)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?yàn)榧词箾]有照明，電流也會(huì)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(cè)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(cè)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(shí)施的示例。

這種運(yùn)算放大器電路稱為跨阻放大器 (TIA)。它專門用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，電流電壓比由反饋電阻RF的值決定。運(yùn)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(yùn)算放大器的實(shí)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?！傲闫媚Ｊ健备茫艺J(rèn)為，因?yàn)槲覀兛梢栽诠夥蚬怆妼?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(shí)使用光伏模式 
光伏模式的優(yōu)點(diǎn)是暗電流的減少。在普通二極管中，施加反向偏置電壓會(huì)增加反向電流，因?yàn)榉聪蚱脮?huì)降低擴(kuò)散電流但不會(huì)降低漂移電流，而且還會(huì)因?yàn)樾孤?br/>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(huì)導(dǎo)致更多的暗電流，因此通過使用運(yùn)算放大器將光電二極管保持在大約零偏置，我們實(shí)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(cè)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(shí)使用光電導(dǎo)模式 
向 pn 結(jié)施加反向偏置電壓會(huì)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(gè)有益的影響。首先，如上一篇文章所述，較寬的耗盡區(qū)會(huì)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(hào)時(shí)，光電導(dǎo)模式是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
其次，較寬的耗盡區(qū)會(huì)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(huì)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(cè)器響應(yīng)照度快速變化的能力時(shí)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(cè)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(qǐng)記住，更多的反向偏壓也會(huì)增加暗電流。

Hamamatsu 是的光電探測(cè)器制造商。該圖摘自他們的硅光電二極管手冊(cè)，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。