光電二極管加快響應(yīng)
光電二極管通常要比 LDR 更小,也更快,而通用器件也能保持低成本的優(yōu)勢(shì)。商用器件的上升時(shí)間一般是毫秒級(jí),而且沒有光記憶問題,但它們只有大約15V的最大擊穿電壓,從而使它們只限使用于低壓電路中。光電二極管作為高阻抗的光伏電流或電壓源,與其對(duì)應(yīng)的光敏電阻器相比,它們的接口更困難,特別是對(duì)需要線性性能和優(yōu)化速度的應(yīng)用。但對(duì)于一般用途,新一代小型器件的接口問題已不存在,使之很容易用于新型應(yīng)用,如手機(jī)中的自適應(yīng)背光。
所有 PN 結(jié)二極管都是光敏的,在某種程度上它們會(huì)對(duì)敏感的模擬電路造成嚴(yán)重破壞,如高精度多用表的前端。一般來說,要將玻璃密封的器件套上不透明的硅橡膠。否則,具備足夠能量的光子會(huì)穿越二極管材料的帶隙,形成電子空穴對(duì),電子空穴對(duì)形成的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電流。LED 是二極管發(fā)射器的一個(gè)好例子,它有經(jīng)光學(xué)優(yōu)化的封裝。LED 也可以作為很好的檢測(cè)器,這點(diǎn)很容易證實(shí)。可以用一支 LED 直接照射另一支同型號(hào)二極管,并測(cè)量接收方兩端的電壓。
對(duì)于可見光的光電檢測(cè)器應(yīng)用,硅平面結(jié)構(gòu)最容易,制造成本也最低。帶隙能量效應(yīng)意味著光電二極管的峰值響應(yīng)與其組成材料有關(guān),硅的最高靈敏度在大約 880 nm。在普通 P 層與 N 層之間選擇性地對(duì)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)摻雜,就可以建立一個(gè)針結(jié)型光電二極管,并得到更好的靈敏度和可重復(fù)性。“i”（本征）層形成一個(gè)高電阻率層,它將空間電荷區(qū)的寬度增加了二個(gè)數(shù)量級(jí)。由于光電檢測(cè)過程要依賴于在結(jié)構(gòu)附近高度耗盡區(qū)產(chǎn)生電荷對(duì)的光子,因此該層對(duì)靈敏度和響應(yīng)速度有很大影響。兩種類型的光電二極管都有一個(gè)等效電路,包括與一個(gè)正向?qū)ǘ䴓O管、一個(gè)電容和一個(gè)電阻并聯(lián)的電流發(fā)生器,以及一個(gè)串聯(lián)的輸出電阻（圖 4）。如果忽略照度水平的作用,器件的電流/電壓特性就類似一個(gè)二極管。要求不高的應(yīng)用一般可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓放大器,將光伏電壓升高到與邏輯電路相適應(yīng)的水平。要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用可采用電流發(fā)生器模式,一般采用負(fù)反饋放大器結(jié)構(gòu),光電二極管工作在某種反向偏壓下。
Perkin-Elmer的VTB8440B是街道照明和安全照明應(yīng)用的一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件,它是一個(gè)平面硅器件,采用低成本的環(huán)氧窗口塑料封裝。內(nèi)置的紅外衰減濾波器可將該器件920 nm的峰值響應(yīng)點(diǎn)修整到550 nm區(qū)域。它的典型開路電壓范圍從0.1勒 的 150 mV~1000 勒的490 mV,主要面向使用高阻抗電壓跟隨器或放大器的光電模式工作。但當(dāng)施加 2V以上反向偏置電壓時(shí),它可以將暗電流泄漏限制在2nA,而結(jié)電容則減半至0.5nF,從而改善了動(dòng)態(tài)范圍和響應(yīng)速度。負(fù)反饋放大器采用負(fù)反饋方法,將反相輸入接地,使所有光電電流（對(duì) VTB8440B而言,在1000 勒 時(shí)最小為 35mA）都流經(jīng)反饋電阻器（圖5）。理想的響應(yīng)為VOUT = I×RF,但與所有高阻電路一樣,最重要的是選擇一個(gè)低輸入電流的運(yùn)放,并小心做好元器件布局與結(jié)構(gòu)。有關(guān)高阻運(yùn)放電路的更詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)看 Linear 技術(shù)公司 Glen Brisebois 的一篇優(yōu)秀文章。
對(duì)于還是模擬思路的工程師們,用光電二極管電路做實(shí)驗(yàn)是很有意思的,通過實(shí)用教科書的幫助（見參考文獻(xiàn)1）,搭建一個(gè)有良好性能的檢測(cè)器還是比較容易的。另外,有一種減少模擬接口問題的辦法,就是選擇一款內(nèi)帶板載放大器的光電二極管,如Intersil公司的EL7900可見光傳感器。這種微型5引腳、2mm×2 mm 無引線器件曾進(jìn)入了 EDN 2005 年度創(chuàng)新獎(jiǎng)的最終名單,它在1勒~10000勒范圍內(nèi)有近似人眼的響應(yīng)。它工作在單2.5V~5.5V電壓下,產(chǎn)生的電流輸出從全暗的 150 nA 直到 100 勒 熒光燈下的 60mA。因此,它的耗電基本上是輸出電流的映射,但當(dāng)關(guān)閉時(shí)可低至 1.5mA。它的輸出電壓可以在正電壓的 300 mV 以內(nèi),同時(shí)在整個(gè)有用范圍內(nèi)是線性響應(yīng),重要的是電阻值的選擇不能造成輸出飽和。電阻器選擇也會(huì)影響到響應(yīng)時(shí)間,但由于響應(yīng)時(shí)間仍然是在 200ms 以下范圍,還有很多空余帶寬,使器件適合用于控制便攜電子設(shè)備的顯示背光應(yīng)用。這些器件現(xiàn)有供應(yīng),每千片批量單價(jià)大約為0.70美元。
HSDL-9000曾是Agilent光電產(chǎn)品清單中的一款,現(xiàn)在則以Avago技術(shù)公司的商業(yè)名字出現(xiàn),它是一個(gè)簡(jiǎn)單的“光進(jìn)、數(shù)字出
