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光電二極管教程
工作原理
結光電二極管是一種基本器件,其功能類似于一個普通的信號二極管,但在結半導體的耗盡區吸收光時,它會產生光電流。光電二極管是一種快速,高線性度的器件,在應用中具有高量子效率,可應用于各種不同的場合。
根據入射光確定期望的輸出電流水平和響應度是有必要的。圖1描繪了一個結光電二極管模型,它由基本的獨立元件組成,這樣便于直觀了解光電二極管的主要性質,更好地了解Thorlabs光電二極管工作過程。
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圖1: 光電二極管模型
光電二極管相關術語
響應度
光電二極管的響應度可以定義為給定波長下,產生的光電流(IPD)和入射光功率(P)之比:
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工作模式(光導模式和光伏模式)
光電二極管可以工作在這兩個模式中的一個: 光導模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。 工作模式的選擇根據應用中速度和可接受暗電流大小(漏電流)而定。
光導模式
處于光導模式時,有一個外加的偏壓,這是我們DET系列探測器的基礎。 電路中測得的電流代表器件接受到的光照; 測量的輸出電流與輸入光功率成正比。 外加偏壓使得耗盡區的寬度增大,響應度增大,結電容變小,響應度趨向直線。 工作在這些條件下容易產生很大的暗電流,但可以選擇光電二極管的材料以限制其大小。 (注: 我們的DET器件都是反向偏置的,不能工作在正向偏壓下。)
光伏模式
光伏模式下,光電二極管是零偏置的。 器件的電流流動被限制,形成一個電壓。 這種工作模式利用了光伏效應,它是太陽能電池的基礎。 當工作在光伏模式時,暗電流最小。
暗電流
暗電流是光電二極管有偏壓時的漏電流. 工作在光導模式時, 容易出現更高的暗電流, 并與溫度直接相關. 溫度每增加?10?°C, 暗電流幾乎增加一倍, 溫度每增加?6 °C, 分流電阻增大一倍. 顯然, 應用更大的偏壓會降低結電容, 但也會增加當前暗電流的大小。
當前的暗電流也受光電二極管材料和有源區尺寸的影響. 鍺器件暗電流很大, 硅器件通常比鍺器件暗電流小.下表給出了幾種光電二極管材料及它們相關的暗電流, 速度, 響應波段和價格。
Material |
Dark Current |
Speed |
Spectral Range |
Cost |
Silicon (Si) |
Low |
High Speed |
Visible to NIR |
Low |
Germanium (Ge) |
High |
Low Speed |
NIR |
Low |
Gallium Phosphide (GaP) |
Low |
High Speed |
UV to Visible |
Moderate |
Indium Gallium Arsenide (InGaAs) |
Low |
High Speed |
NIR |
Moderate |
Indium Arsenide Antimonide (InAsSb) |
High |
Low Speed |
NIR to MIR |
High |
Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs) |
High |
High Speed |
NIR |
High |
Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe) |
High |
Low Speed |
NIR to MIR |
High |
結電容
結電容(Cj)是光電二極管的一個重要性質,對光電二極管的帶寬和響應有很大影響。需要注意的是,結區面積大的二極管結體積也越大,也擁有較大的充電電容。在反向偏壓應用中,結的耗盡區寬度增加,會有效地減小結電容,增大響應速度。
帶寬和響應
負載電阻和光電二極管的電容共同限制帶寬。要得到最佳的頻率響應,一個50歐姆的終端需要使用一條50歐姆的同軸電纜。帶寬(fBW)和上升時間響應(tr)可以近似用結電容(Cj)和負載電阻(Rload)表示:
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噪聲等效功率
噪聲等效功率(NEP)是信噪比等于1時產生的RMS信號電壓。它是非常有用的參數,因為NEP決定了探測器探測弱光的能力。一般而言,NEP隨著探測器的有效區域而增大,且可以用下式表示:
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在這里,S/N是信噪比,Δf是噪聲帶寬,入射能量的單位是W/cm2。更多關于NEP的信息請看Thorlabs的噪聲等效功率白皮書。
終端電阻
使用負載電阻將光電流轉換為電壓(VOUT)以便在示波器上顯示:
根據光電二極管的類型,負載電阻影響其響應速度。為達到最大帶寬,我們建議在同軸電纜的另一端使用50歐姆的終端電阻。其與電纜的本征阻抗相匹配,將會最小化諧振。如果帶寬不重要,您可以增大負載電阻(Rload),從而增大給定光功率下的光電壓。終端不匹配時, 電纜的長度對響應影響很大,所以我們建議使電纜越短越好。
分流電阻
分流電阻代表零偏壓下光電二極管的結電阻。理想的光電二極管分流電阻無限大,但實際值可能從十歐姆到幾千兆歐不等,與其材料有關。例如,InGaAs探測器分流電阻在10兆歐姆量級,而Ge探測器的分流電阻在千歐量級。這會顯著影響光電二極管的噪聲電流。然而,在大部分應用中,大電阻幾乎不產生效應,因而可以忽略。
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串聯電阻
串聯電阻是半導體材料的電阻,這個小電阻通??梢院雎?。串聯電阻來自于光電二極管的觸點和線接頭,通常用來確定二極管在零偏壓下的線性度。
通用工作電路
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圖2:反向偏壓電路(DET 系列探測器)
DET系列探測器有上面所示的模塊化電路。探測器反向偏置對輸入光產生線性響應。光電流的大小與入射光大小以及波長有關,輸出端加一個負載電阻就可以在示波器上顯示。RC濾波電路的作用是濾掉輸入電源的高頻噪聲,這些噪聲會影響輸出端的噪聲。
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圖3:放大探測器電路
也可以用光電探測器加放大器來實現所需要的高增益。用戶可以選擇工作在光導模式和光伏模式。使用這個有源電路有幾個優勢:
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其中GBP是放大器增益帶寬積,CD是結電容和放大器電容之和。
斬波頻率的影響
光導體信號將保持不變,直到時間常數響應極限為止。許多探測器(包括PbS、PbSe、HgCdTe (MCT)和InAsSb探測器)具有1/f的典型噪聲頻譜(即,噪聲隨著斬波頻率增大而減小),這會對低頻時的時間常數具有較大影響。
探測器在低斬波頻率下會表現出較低響應度。頻率響應和探測率對于下式最大化
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根據光電二極管的類型,負載電阻影響其響應速度。為達到最大帶寬,我們建議在同軸電纜的另一端使用50歐姆的終端電阻。其與電纜的本征阻抗相匹配,將會最小化諧振。如果帶寬不重要,您可以增大負載電阻(Rload),從而增大給定光功率下的光電壓。終端不匹配時, 電纜的長度對響應影響很大,所以我們建議使電纜越短越好。
分流電阻
分流電阻代表零偏壓下光電二極管的結電阻。理想的光電二極管分流電阻無限大,但實際值可能從十歐姆到幾千兆歐不等,與其材料有關。例如,InGaAs探測器分流電阻在10兆歐姆量級,而Ge探測器的分流電阻在千歐量級。這會顯著影響光電二極管的噪聲電流。然而,在大部分應用中,大電阻幾乎不產生效應,因而可以忽略。
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串聯電阻
串聯電阻是半導體材料的電阻,這個小電阻通??梢院雎?。串聯電阻來自于光電二極管的觸點和線接頭,通常用來確定二極管在零偏壓下的線性度。
通用工作電路
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圖2:反向偏壓電路(DET 系列探測器)
DET系列探測器有上面所示的模塊化電路。探測器反向偏置對輸入光產生線性響應。光電流的大小與入射光大小以及波長有關,輸出端加一個負載電阻就可以在示波器上顯示。RC濾波電路的作用是濾掉輸入電源的高頻噪聲,這些噪聲會影響輸出端的噪聲。
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圖3:放大探測器電路
也可以用光電探測器加放大器來實現所需要的高增益。用戶可以選擇工作在光導模式和光伏模式。使用這個有源電路有幾個優勢:
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其中GBP是放大器增益帶寬積,CD是結電容和放大器電容之和。
斬波頻率的影響
光導體信號將保持不變,直到時間常數響應極限為止。許多探測器(包括PbS、PbSe、HgCdTe (MCT)和InAsSb探測器)具有1/f的典型噪聲頻譜(即,噪聲隨著斬波頻率增大而減小),這會對低頻時的時間常數具有較大影響。
探測器在低斬波頻率下會表現出較低響應度。頻率響應和探測率對于下式最大化
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