精密光學(xué)檢測(cè)和控制領(lǐng)域中光電傳感——光電二極管傳感

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）光電二極管，是一種在很多光學(xué)測(cè)量中都很常用的傳感器類型。諸如吸收和發(fā)射光譜、色彩測(cè)量、渾濁度、氣體探測(cè)等應(yīng)用都十分依賴于光電二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)精密光學(xué)測(cè)量。

光電傳感穩(wěn)步發(fā)展，光電二極管規(guī)模繼續(xù)增長(zhǎng)

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展將智能化帶入了各個(gè)領(lǐng)域，智能工業(yè)、智能交通、智能電網(wǎng)、智能可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域讓光電傳感器獲得了不小的機(jī)遇。不管是自動(dòng)控制、信息傳感還是射頻等技術(shù)，都需要光電傳感器作為基礎(chǔ)器件。

根據(jù)共研網(wǎng)公布的數(shù)據(jù)，2021年中國(guó)光電傳感器產(chǎn)量和需求量分別為67.7億只和111.4億只，2022年中國(guó)光電傳感器產(chǎn)量和需求量預(yù)期分別達(dá)到80.2億只和130.9億只，2022年國(guó)內(nèi)光電傳感器市場(chǎng)規(guī)模也將突破600億元。

作為光電傳感器重要細(xì)分類別的一類產(chǎn)品，光電二極管傳感市場(chǎng)規(guī)模在近幾年也呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。根據(jù)貝哲斯測(cè)算數(shù)據(jù)，2021年全球光電二極管市場(chǎng)總規(guī)模達(dá)到43.09億元，中國(guó)光電二極管市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到13.11億元，占全球光電二極管市場(chǎng)總份額的30.42%。未來(lái)幾年光電二極管將以7.14%的復(fù)合年增長(zhǎng)率穩(wěn)步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)在2027年全球光電二極管市場(chǎng)總規(guī)模將會(huì)達(dá)到65.26億元。

原材料選擇對(duì)光電二極管設(shè)計(jì)的影響

傳感器這類產(chǎn)品，從傳感材料的選擇上就已經(jīng)決定了很多特性，光電二極管使用何種材料影響了傳感器的光波靈敏度范圍和噪聲水平。目前常用的光電二極管材料有硅、硫化鉛、砷化銦鎵和鍺。硅對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)靈敏度在190-1100nm，硫化鉛對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)靈敏度在1000-3500nm，砷化銦鎵對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)靈敏度在800-2600nm，鍺對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)靈敏度在800-1700nm。

不同材料的光電二極管對(duì)波長(zhǎng)的響應(yīng)不同為只有具有足夠能量的光子才能在材料的帶隙中才能激發(fā)電子，才會(huì)產(chǎn)生顯著的能量來(lái)產(chǎn)生來(lái)自光電二極管的電流。波長(zhǎng)靈敏度只是一方面，各種材料的噪聲水平差別也很大，這也是因?yàn)椴煌牧蠋兜牟煌?。比如硅光電二極管就比鍺光電二極管噪聲更小。

選擇材料時(shí)我們肯定是希望光電二極管在保持低暗電流的同時(shí)擁有更快的響應(yīng)速度和更高的信噪比的，硅光電二極管是比較通用的一類，其暗電流小，速度夠快，在800-900nm范圍內(nèi)有很高的靈敏度；鍺光電二極管暗電流很大，因?yàn)榧纳?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電容/" target="_blank">電容的原因速度很難做快；砷化銦鎵光電二極管在1100-1300nm范圍內(nèi)非常敏感，暗電流也很小，速度極快，不過(guò)材料的價(jià)格也會(huì)昂貴很多。

光電二極管電路設(shè)計(jì)的影響

選擇合適材料的光電二極管后，需要在電路設(shè)計(jì)中與其他元件配合以便將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。光電二極管電路主要以三種模式工作，光伏模式、光電導(dǎo)模式以及雪崩二極管模式。

光伏模式產(chǎn)生的電壓將具有非常小的動(dòng)態(tài)范圍，并且具有非線性特性。光電二極管在這種模式下工作其伏安特性隨溫度的變化非常小，是精密應(yīng)用中比較常見(jiàn)的配置。這種模式不經(jīng)過(guò)軟件校準(zhǔn)和交流耦合很容易產(chǎn)生很多暗電流，需要在運(yùn)算放大器的選擇上重點(diǎn)考量輸入失調(diào)電壓范圍。另一方面，除了材料選擇會(huì)影響噪聲水平，放大器的噪聲也會(huì)影響整個(gè)電路噪聲，光電二極管放大器增益越大對(duì)噪聲的抑制越有效。

光電導(dǎo)模式可以大大縮短光電二極管的響應(yīng)時(shí)間并減少結(jié)電容，達(dá)到極快的速度，但是這種工作模式的噪聲也會(huì)大很多。雪崩二極管模式下的光電二極管在高反向偏置條件下工作，這種工作模式光電二極管有極大的內(nèi)部增益，能夠在反向偏壓下提供數(shù)十至數(shù)百倍的信號(hào)。

小結(jié)

近年來(lái)隨著光電技術(shù)的發(fā)揮發(fā)展，光電式傳感精度高、響應(yīng)快、可測(cè)參數(shù)多，各種細(xì)分品類日益增多，作為將光通量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器，光電二極管傳感在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。