光電二極管教程

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。

?

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(I_PD)和入射光功率(P)之比：

?

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。

結電容

結電容（C_j）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（f_BW）和上升時間響應（t_r）可以近似用結電容（C_j）和負載電阻（R_load）表示：

?

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：

?

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（V_OUT）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（R_load），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。

?

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

?

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。

?

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：

• 光伏模式：由于運算放大器A點電勢和B點電勢相等，因而光電二極管兩端的電勢差為零伏。這樣最小化了暗電流的可能
• 光導模式：二極管反向偏置，于是增大了帶寬降低了結電容。探測器的增益與反饋元件（R_f）有關。探測器的帶寬可用下面的式子計算：

?

其中GBP是放大器增益帶寬積，C_D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

?

?

?

?

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（R_load），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。

?

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

?

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。

?

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：

• 光伏模式：由于運算放大器A點電勢和B點電勢相等，因而光電二極管兩端的電勢差為零伏。這樣最小化了暗電流的可能
• 光導模式：二極管反向偏置，于是增大了帶寬降低了結電容。探測器的增益與反饋元件（R_f）有關。探測器的帶寬可用下面的式子計算：

?

其中GBP是放大器增益帶寬積，C_D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

?