光電流

光電二極管的基本輸出是從陰極流經(jīng)器件到陽極的電流，并且與照度近似成線性比例。 （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(jìn)行詳細(xì)介紹。）光電流通過串聯(lián)電阻或電流轉(zhuǎn)換為電壓，以便進(jìn)一步進(jìn)行信號處理-電壓放大器。

光電二極管的光與電流關(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)現(xiàn)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)現(xiàn)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(tǒng)的主要非理想現(xiàn)象稱為暗電流，因?yàn)榧词乖跊]有照明的情況下，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(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)測量低光強(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)無法測量與其相關(guān)的光電流太小以致于消失在暗噪聲中的光強(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。

該運(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轉(zhuǎn)換為電壓信號，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。但無論我喜歡與否，“光伏”都是公認(rèn)的術(shù)語。我認(rèn)為“零偏壓模式”更好，因?yàn)槲覀兛梢栽诠夥蚬怆妼?dǎo)模式下使用與光電二極管相同的TIA，因此沒有反向偏壓是顯著的區(qū)別因素。

何時使用光伏模式

光伏模式的優(yōu)點(diǎn)是暗電流減少。在普通二極管中，施加反向偏置電壓會增加反向電流，因?yàn)榉聪蚱脮p少擴(kuò)散電流，但不會減少漂移電流，而且還會因?yàn)樾孤?/p>

光電二極管中也會發(fā)生同樣的情況，但反向電流稱為暗電流。較高的反向偏置電壓會導(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，光伏模式非常適合需要限度提高低照度性能的應(yīng)用。

光電二極管電路中的光電導(dǎo)模式

為了將上述檢測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。陰極仍處于 0 V，但陽極處于低于 0 V 的某個電壓；因此，光電二極管是反向偏置的。

何時使用光電導(dǎo)模式

對 pn 結(jié)施加反向偏置電壓會導(dǎo)致耗盡區(qū)變寬。這在光電二極管應(yīng)用中具有兩個有益效果。首先，如上一篇文章所述，更寬的耗盡區(qū)使光電二極管更靈敏。因此，當(dāng)您想要產(chǎn)生相對于照度更多的輸出信號時，光電導(dǎo)模式是一個不錯的選擇。

其次，更寬的耗盡區(qū)降低了光電二極管的結(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 RC 低通濾波器一樣，減少電容會增加截止頻率。因此，光電導(dǎo)模式允許更寬的帶寬，并且當(dāng)您需要限度地提高探測器對照度快速變化的響應(yīng)能力時，光電導(dǎo)模式是。

，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量，可以使用光電導(dǎo)模式，然后根據(jù)系統(tǒng)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。

濱松是光電探測器的制造商。該圖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將光電二極管的線性響應(yīng)區(qū)域擴(kuò)展多少。