精密光学检测和控制领域中光电传感——光电二极管传感

电子发烧友网报道（文/李宁远）光电二极管，是一种在很多光学测量中都很常用的传感器类型。诸如吸收和发射光谱、色彩测量、浑浊度、气体探测等应用都十分依赖于光电二极管来实现精密光学测量。
   
光电传感稳步发展，光电二极管规模继续增长
 
物联网产业的快速发展将智能化带入了各个领域，智能工业、智能交通、智能电网、智能可穿戴设备等领域让光电传感器获得了不小的机遇。不管是自动控制、信息传感还是射频等技术，都需要光电传感器作为基础器件。
 
根据共研网公布的数据，2021年中国光电传感器产量和需求量分别为67.7亿只和111.4亿只，2022年中国光电传感器产量和需求量预期分别达到80.2亿只和130.9亿只，2022年国内光电传感器市场规模也将突破600亿元。
 
作为光电传感器重要细分类别的一类产品，光电二极管传感市场规模在近几年也呈现出稳步增长的趋势。根据贝哲斯测算数据，2021年全球光电二极管市场总规模达到43.09亿元，中国光电二极管市场规模达到13.11亿元，占全球光电二极管市场总份额的30.42%。未来几年光电二极管将以7.14%的复合年增长率稳步增长，预计在2027年全球光电二极管市场总规模将会达到65.26亿元。
 
原材料选择对光电二极管设计的影响
 
传感器这类产品，从传感材料的选择上就已经决定了很多特性，光电二极管使用何种材料影响了传感器的光波灵敏度范围和噪声水平。目前常用的光电二极管材料有硅、硫化铅、砷化铟镓和锗。硅对应的波长灵敏度在190-1100nm，硫化铅对应的波长灵敏度在1000-3500nm，砷化铟镓对应的波长灵敏度在800-2600nm，锗对应的波长灵敏度在800-1700nm。
 
不同材料的光电二极管对波长的响应不同为只有具有足够能量的光子才能在材料的带隙中才能激发电子，才会产生显著的能量来产生来自光电二极管的电流。波长灵敏度只是一方面，各种材料的噪声水平差别也很大，这也是因为不同材料带隙的不同。比如硅光电二极管就比锗光电二极管噪声更小。
 
选择材料时我们肯定是希望光电二极管在保持低暗电流的同时拥有更快的响应速度和更高的信噪比的，硅光电二极管是比较通用的一类，其暗电流小，速度够快，在800-900nm范围内有很高的灵敏度；锗光电二极管暗电流很大，因为寄生电容的原因速度很难做快；砷化铟镓光电二极管在1100-1300nm范围内非常敏感，暗电流也很小，速度极快，不过材料的价格也会昂贵很多。
 
光电二极管电路设计的影响
 
选择合适材料的光电二极管后，需要在电路设计中与其他元件配合以便将光电二极管电流转换为输出电压。光电二极管电路主要以三种模式工作，光伏模式、光电导模式以及雪崩二极管模式。
 
光伏模式产生的电压将具有非常小的动态范围，并且具有非线性特性。光电二极管在这种模式下工作其伏安特性随温度的变化非常小，是精密应用中比较常见的配置。这种模式不经过软件校准和交流耦合很容易产生很多暗电流，需要在运算放大器的选择上重点考量输入失调电压范围。另一方面，除了材料选择会影响噪声水平，放大器的噪声也会影响整个电路噪声，光电二极管放大器增益越大对噪声的抑制越有效。
 
光电导模式可以大大缩短光电二极管的响应时间并减少结电容，达到极快的速度，但是这种工作模式的噪声也会大很多。雪崩二极管模式下的光电二极管在高反向偏置条件下工作，这种工作模式光电二极管有极大的内部增益，能够在反向偏压下提供数十至数百倍的信号。
 
小结
 
近年来随着光电技术的发挥发展，光电式传感精度高、响应快、可测参数多，各种细分品类日益增多，作为将光通量转换为电量的传感器，光电二极管传感在检测和控制领域获得了广泛的应用。