了解光電二極管操作的光伏和光電導模式

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。（不過請記住，光電流的大小也受入射光波長的影響——在下一篇文章中將對此進行更多介紹。）光電流通過串聯電阻或電流轉換為電壓以進行進一步的信號處理- 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。（不過請記住，光電流的大小也受入射光波長的影響——在下一篇文章中將對此進行更多介紹。）光電流通過串聯電阻或電流轉換為電壓以進行進一步的信號處理- 電壓放大器。
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高于陽極。
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，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。如果這些強度產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準確測量低光強度的能力。
可以通過從二極管電流中減去預期暗電流的技術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變化觀察到的散粒噪聲的一種形式。系統無法測量其相關光電流小到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。我不認為光電二極管的功能類似于通過光伏效應產生電壓的太陽能電池。但是“光伏”是公認的術語，不管我喜不喜歡。“零偏置模式”更好，我認為，因為我們可以在光伏或光電導模式下使用相同的 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，而且還會因為泄漏。
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化低照度性能的應用。
光電二極管電路中的光電導模式
要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的背景下有兩個有益的影響。首先，如上一篇文章所述，較寬的耗盡區會使光電二極管更敏感。因此，當您想要產生與照度相關的更多輸出信號時，光電導模式是一個不錯的選擇。
其次，較寬的耗盡區會降低光電二極管的結電容。在上面所示的電路中，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，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，并且當您需要化檢測器響應照度快速變化的能力時更可取。
反向偏壓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，更多的反向偏壓也會增加暗電流。

Hamamatsu 是的光電探測器制造商。該圖摘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將光電二極管的線性響應區域擴展多少。