光电二极管是将光信号转化为电流的关键元件，其输出的电流与照射光的强度呈近似线性关系。然而，光电流的大小还会受到入射光波长的影响，这一点将在后续内容中深入探讨。光电流的生成过程依赖于光电二极管的工作模式，包括光伏模式和光电导模式，这两者的差异主要体现在偏置电压的应用上。

光电流的生成

光电二极管的基本输出是从阴极流向阳极的电流，即光电流，它的大小与光照强度成正比。通常，光电流会通过串联的电阻或者与其他电路相结合，转化为电压信号以便进一步的信号处理。光电二极管的光电流与入射光的强度密切相关，但它的输出也受到许多因素的影响，例如入射光的波长。不同的光波长对光电二极管的响应不同，这将影响到光电流的产生量。

光电二极管的两种工作模式

光电二极管的工作方式有两种主要模式：光伏模式和光电导模式。它们的主要区别在于二极管的偏置电压。光电二极管的工作模式直接影响其性能，特别是在低光强度和高照度条件下的表现。

1. 光伏模式（零偏置模式）

在光伏模式下，光电二极管处于零偏置状态，这意味着二极管的阳极和阴极保持在相同的电位。在这种模式下，光电二极管没有外加电压，光电流仅由光照强度产生。当光照到达二极管时，光电二极管的光电流被转化为电信号并通过电流转化为电压，通常使用跨阻放大器（TIA）来实现。这种配置中的运算放大器用于将光电流转换为相应的电压信号，反馈电阻的选择决定了输出电压与光电流的比例。

光伏模式的优点：

• 减少暗电流： 在光电二极管的零偏置情况下，暗电流会减小。因为反向偏压会使光电二极管的暗电流增加，因此零偏置模式有效避免了暗电流的产生，特别适合低照度应用。

• 低照度性能： 光伏模式是低光照条件下测量最优的选择，因为它减少了暗电流的干扰，提高了系统的灵敏度。

2. 光电导模式（反向偏置模式）

在光电导模式下，光电二极管的阳极连接到一个负电压电源，而阴极仍然保持在0V。此时，光电二极管处于反向偏置状态，这意味着阳极的电位低于阴极。这种偏置状态增加了耗尽区的宽度，从而提高了光电二极管的灵敏度。

光电导模式的优点：

• 更高的灵敏度： 由于施加了反向偏置电压，光电二极管的耗尽区变宽，二极管对光照的响应更加灵敏。因此，在高照度环境下，光电导模式可以产生更大的电流输出，适用于需要高灵敏度的应用。

• 提高带宽： 反向偏置电压不仅提高了灵敏度，还降低了光电二极管的结电容。通过减少结电容，可以提高系统的带宽，使其能够更好地响应快速变化的光照强度。

• 扩展线性工作范围： 反向偏置还扩展了光电二极管的线性工作范围，这使得在高照度下的测量更加精确。然而，增加反向偏压也会导致暗电流的增加，因此在使用时需要权衡偏压的大小。

暗电流与噪声

暗电流是影响光电二极管性能的一个重要因素，即使在没有光照的情况下，光电二极管内部也会产生电流。这种暗电流的存在会影响系统的测量能力，特别是在低光强度下。如果光电流很小，而暗电流较大时，系统可能无法准确测量光强度。为了减轻暗电流的影响，常采用去除暗电流的技术，例如通过测量暗电流并从总电流中减去其值。

然而，暗电流并不仅仅是一个固定的电流，它还伴随有噪声，特别是“散粒噪声”，这是一种由电流中粒子运动引起的随机波动。暗电流的噪声使得在极低光照条件下，测量信号可能被噪声掩盖，从而影响信号的准确性。

何时选择光伏模式与光电导模式？

• 光伏模式： 如果您的应用主要涉及低光照条件下的测量，且对暗电流的敏感度较高，那么光伏模式是更理想的选择。它能够提供较低的暗电流，并且在低光强度下具有更高的测量精度。

• 光电导模式： 如果您需要提高光电二极管对快速变化的光照信号的响应能力，或在较高光强度条件下保持较高的输出信号，那么光电导模式会更合适。通过施加反向偏置电压，可以提高二极管的响应速度和灵敏度，但需要注意，增加反向偏压会导致暗电流的增加，影响低照度下的测量。

总结

光电二极管的工作模式（光伏模式与光电导模式）直接决定了其对光照的响应能力和输出信号的特性。光伏模式适用于低光照应用，能够减少暗电流，而光电导模式则适用于需要高灵敏度和更宽带宽的应用。选择合适的工作模式不仅能优化系统性能，还能在不同的光照条件下获得准确的测量结果。