光電二極管教程
發(fā)布日期：2020-03-10瀏覽次數(shù)：112
光電二極管是一種PIN結(jié)構(gòu)或PN結(jié)。當(dāng)一個能量足夠的光子被二極管吸收時，它將產(chǎn)生一對電子和空穴(載流子)。耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的載流子幾乎瞬間形成光電流，但耗盡區(qū)外的載流子需要一定的擴(kuò)散時間才可能進(jìn)入耗盡區(qū)，然后形成光電流。通過光電二極管的總電流是光電流和暗電流之和，因此減小暗電流可提高靈敏度。
由于快速響應(yīng)、高線性度和高量子效率，光電二極管可用于很多不同的應(yīng)用，但必須能夠根據(jù)入射光確定預(yù)期的輸出電流水平和響應(yīng)度。下圖展示了Thorlabs光電二極管的結(jié)構(gòu)，通過每個基本的分立元件有助于了解其主要特性和的工作原理。
響應(yīng)度可定義為在給定波長下產(chǎn)生的光電流(IPD)和入射光功率(P)之比：
工作模式有兩種：
光導(dǎo)模式(Photoconductive Mode)和光伏模式(Photovoltaic Mode)。模式選擇取決于測量應(yīng)用的速度要求和可容許的暗電流。
在光導(dǎo)模式中，光電二極管被施加外部反向偏壓。通過電路測量的輸出電流和輸入光功率成正比。施加反向偏壓不僅可增加耗盡區(qū)的寬度，以更小的結(jié)電容實現(xiàn)更快的響應(yīng)，還可產(chǎn)生高線性響應(yīng)。光導(dǎo)模式容易產(chǎn)生更大的暗電流，但這可能是很有限的，具體取決于光電二極管材料。Thorlabs DET系列探測器為反向偏壓，不能在正向偏壓下工作。 在光伏模式中，光電二極管為零偏壓。流出器件的電流受限，由此形成電壓，而暗電流保持在最低水平。 暗電流是對光電二極管施加偏壓時的漏電流。光導(dǎo)模式更容易導(dǎo)致更高的暗電流，而且和溫度直接相關(guān)。溫度每升高10 °C，暗電流大約增加一倍，而分流電阻(Shunt Resistance)通常在溫度升高6 °C時增加一倍。偏壓越高，結(jié)電容越小，但暗電流越大。 暗電流也受光電二極管材料和有源區(qū)尺寸影響。下表對比了幾種光電二極管材料的相對暗電流、速度、光譜范圍和成本。
結(jié)電容(Cj)對光電二極管的帶寬和響應(yīng)速度有很大的影響。需要注意的是，二極管面積越大，結(jié)的體積越大，電荷容量越大。在反向偏壓應(yīng)用中，結(jié)的耗盡區(qū)寬度會增加，可有效地減小結(jié)電容并提高響應(yīng)速度。
帶寬和響應(yīng)速度受限于負(fù)載電阻和結(jié)電容。為了實現(xiàn)最佳的頻率響應(yīng)，應(yīng)將50 Ω終端與50 Ω同軸電纜結(jié)合使用。帶寬(fBW)和響應(yīng)上升時間(tr)可通過結(jié)電容(Cj)和負(fù)載電阻(RLOAD)計算如下：
噪聲等效功率(NEP)是在1 Hz輸出帶寬下導(dǎo)致信噪比(SNR)為1的輸入信號功率。NEP決定探測器的弱光探測能力。一般而言，NEP隨探測器的有源面積增大而增大，并可通過下式計算，其中SNR是信噪比，Δf是噪聲帶寬，而入射能量以W/cm2表示。
終端電阻(負(fù)載電阻)通過下式將光電流轉(zhuǎn)換為電壓，以便在示波器上查看。
根據(jù)光電二極管的類型，負(fù)載電阻可能影響響應(yīng)速度。為了達(dá)到最大帶寬，我們建議使用50 Ω同軸電纜，并在電纜另一端使用50 Ω終端電阻。這樣使得電纜與其特征阻抗相匹配，可最大限度地減少振蕩。如果帶寬不重要，可通過增大負(fù)載電阻來增大給定光強下的電壓。對于不匹配的終端負(fù)載，同軸電纜的長度會對響應(yīng)產(chǎn)生重大影響，因此建議使用盡可能短的電纜。
分流電阻(Shunt Resistence)表示零偏壓光電二極管的結(jié)電阻。理想光電二極管具有無窮大的分流電阻，但實際值取決于光電二極管材料，范圍從十歐到幾千兆歐。比如，InGaAs探測器的分流電阻在10 MΩ量級，而Ge探測器在kΩ范圍。這對光電二極管的噪聲電流有重大影響。但對于大多數(shù)應(yīng)用，大電阻產(chǎn)生的影響很小，可忽略不計。 串聯(lián)電阻是半導(dǎo)體材料的電阻，這個低電阻通常可忽略不計。串聯(lián)電阻來自光電二極管的接觸和線焊，主要用于確定光電二極管在零偏壓下的線性度。
通用工作電路
DET系列探測器的工作電路圖如下所示。探測器通過反向偏壓對入射光產(chǎn)生線性響應(yīng)。產(chǎn)生的光電流取決于入射光強和波長，并可在輸出端連一個負(fù)載電阻通過示波器查看。RC濾波器的作用是濾掉輸入源的高頻噪聲，以此減小輸出噪聲。
反向偏壓電路(DET系列探測器)
光電探測器還可使用放大器提高增益：
帶放大的探測器電路圖
用戶可選擇以光伏或光導(dǎo)模式工作，而有源電路在每種工作模式中的優(yōu)勢如下：- 光伏模式：由于運算放大器使A和B兩點保持相同的電位，因此光電二極管兩端的電路電壓為零。這樣消除了產(chǎn)生暗電流的可能性。
- 光導(dǎo)模式：光電二極管為反向偏壓，由此降低結(jié)電容并提高帶寬。探測器的增益取決于反饋元件(Rf)，而帶寬可通過下式計算，其中GBP是放大器的增益帶寬積，而CD是結(jié)電容和放大器電容之和。
光電導(dǎo)信號將保持恒定，直至?xí)r間常數(shù)響應(yīng)極限。PbS、PbSe、HgCdTe和InAsSb等很多探測器都有典型的1/f噪聲頻譜，即噪聲隨斬波頻率增加而減小，而1/f噪聲頻譜對較低頻率下的時間常數(shù)有很大影響。
在較低的斬波頻率下，探測器將呈現(xiàn)較低的響應(yīng)。頻率響應(yīng)和可探測率在斬波頻率等于1/(2πtr)時最大。
