硅光電二極管在光電檢測電路中的設(shè)計和應(yīng)用

本文研究的是硅光電二極管在光電檢測電路中的線性響應(yīng)與噪聲特性的分析，提出一些硅光電二極管在電路中的應(yīng)用。因為是將光信號最后轉(zhuǎn)換為電信號，其中有各種影響因素，所以對其在電路中的應(yīng)用進(jìn)行分析是非常重要的，接下來進(jìn)入正題。

1.1 硅光電二極管的基本結(jié)構(gòu)

光電二極管能夠?qū)⑺�吸收的光能轉(zhuǎn)換為電能，即將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，后面再前置放大電路會詳細(xì)說明。光電二極管屬于一種光電轉(zhuǎn)換的器件，與激光二極管的受輻射和發(fā)光二極管的自發(fā)輻射過程相逆，其中，PN型硅光電二極是目前應(yīng)用最廣和最基本的管子。硅光電二極管同光電池一樣，按基底材料不同可分為2DU型和2CU型。PN型硅光電二極管的基本結(jié)構(gòu)包括有效面積區(qū)、引線、P+擴(kuò)散區(qū)、PN結(jié)區(qū)、N+擴(kuò)散區(qū)以及金屬接觸層幾部分，其中光可以通過透明的P+區(qū)直接到達(dá)PN結(jié)區(qū)，產(chǎn)生光電子，N+擴(kuò)散區(qū)的主要作用在于為金屬電極提供良好的電接觸。此外，P—I—N型光電二極管也是當(dāng)期常用的硅光電二極管，其更適用于反向偏壓工作，結(jié)構(gòu)與PN型硅光電二極管相類似，N層與P層間的耗盡層是由本征半導(dǎo)體構(gòu)成的，其作用是提供一個較小的電容和較大的耗盡深度。通常情況下，質(zhì)量較好的硅光電二極管的噪聲是可以忽略不計的，主要原因在于其噪聲電流非常小。在硅光電二極管對信號的測量中，本來能夠通過調(diào)零將暗電流消除，然而，暗電流受溫度的影響很大，隨著溫度的升高而升高，因此，由暗電流引起的噪聲對硅光電二極管檢測靈敏度的影響是不可被忽視的。

2. 硅光電二極管特性分析

2.1 伏安特性分析

由圖2.1可見，在低反壓下電流隨光電壓變化非常敏感。這是由于反向偏壓增加使耗盡層加寬、結(jié)電場增強(qiáng)，它對于結(jié)區(qū)光的吸收率及光生裁流子的收集效率影響很大。當(dāng)反向偏壓進(jìn)一步增加時，光生載流子的收集已達(dá)極限，光電流就趨于飽和。這時，光電流與外加反向偏壓幾乎無關(guān)，而僅取決于入射光功率。

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圖1.1 二極管的伏安特性

2.2 硅光電二極管的光學(xué)特性

硅光電二極管的響應(yīng)特性與突發(fā)光照波長的關(guān)系響應(yīng)率定義為光電導(dǎo)模式下產(chǎn)生的光電流與突發(fā)光照的比例。響應(yīng)特性也可以表達(dá)為光照產(chǎn)生的載流子數(shù)量與突發(fā)光照光子數(shù)的比例。

響應(yīng)速率即響應(yīng)特性標(biāo)志著光電二極管對快速突變光信號的傳輸響應(yīng)。影響響應(yīng)速度的是，光生載流子的擴(kuò)散時間。若對PIN型硅光電二極管以耗盡層為主要工作區(qū)，擴(kuò)散時間可忽略，硅光電二極管的電流響應(yīng)率通常在0.4~05mA/mW，通常將其峰值響應(yīng)波長的電流靈敏度作為光電二極管的電流靈敏度。

2.3 影響因素

綜上分析，可見暗電流與噪聲對于硅光電二極管的光電檢測是必須要檢查分析的。

在光電導(dǎo)模式下，當(dāng)不接受光照時，通過光電二極管的電流被定義為暗電流。暗電流是硅光電二極管最重要的參數(shù)之一，其他參數(shù)如噪聲電流和動態(tài)電阻都與它有直接的關(guān)系。暗電流包括了輻射電流以及半導(dǎo)體結(jié)的飽和電流。暗電流必須預(yù)先測量，特別是當(dāng)光電二極管被用作精密的光功率測量時，暗電流產(chǎn)生的誤差必須認(rèn)真考慮并加以校正。

噪聲也是影響光電檢測的一個重要因素。

硅光電二極管噪聲主要包含熱噪聲和散粒噪聲兩種，其中，熱噪聲是由于電阻材料中的自由電子隨機(jī)運(yùn)動所產(chǎn)生的，取決于材料的噪聲等效帶寬、電阻及溫度，而散粒噪聲是由硅光電二極管PN結(jié)中的截流子隨機(jī)運(yùn)動而產(chǎn)生的，屬于白噪聲，與通過光電二極管的電流和噪聲帶寬相關(guān)，而與頻率無關(guān)。光電檢測電路中的一些參數(shù)也會影響信噪比，在目前光電檢測電路設(shè)計中常利用運(yùn)算放大器接成電壓電流轉(zhuǎn)換器來確保負(fù)載阻抗為零間，以滿足輸出線性響應(yīng)的要求。而影響電路信噪比的因素有:一是運(yùn)算放大器的反饋電阻及硅光電二極管的內(nèi)阻，適當(dāng)?shù)靥嵘�放大器的反饋電阻以及選用適當(dāng)?shù)墓韫怆姸�極管有利于改善信噪比，而且還有利于電壓、電流轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換系數(shù)提高。二是失調(diào)的電壓、電流以及放大器的等效輸入噪聲電壓、電流，其中失調(diào)電壓、電流的大小會隨著溫度而漂移，雖然在電路調(diào)整時能夠?qū)κд{(diào)電壓、電流加以補(bǔ)償，然而隨溫度漂移的影響必然會在電路輸入端產(chǎn)生噪聲，而等效輸入噪聲電流中所造成的噪聲電流在總噪聲電流的絕大部分。

因此，為了提高電路輸出端的信噪比，應(yīng)該盡可能地選用噪聲性能更好、失調(diào)電壓、電流較低的放大器。

2. 光電檢測電路的設(shè)計思路與檢測

2.1 前置放大電路的設(shè)計

這里給出設(shè)計的一般思路，關(guān)于前置放大電路就涉及到光電二極管在電路中是怎樣把光信號轉(zhuǎn)換為電信號了，對應(yīng)運(yùn)放的工作原理，充分了解后才能把這兩者更好的結(jié)合。

普通二極管在反向電壓作用時處于截止?fàn)顟B(tài)，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設(shè)計和制作時盡量使PN結(jié)的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件，這在硅光電二極管的使用方法里有詳細(xì)的講解。

光電二極管可以在2 種模式下工作， 一是零偏置的光伏模式； 一是反偏置的光導(dǎo)模式，具體電路如圖2.2 所示。 在光伏模式時， 光電二極管可以非常精確地線性工作；而在光導(dǎo)模式時，光電二極管能夠?qū)崿F(xiàn)較高的切換速度，但要犧牲線性；同時， 反偏置模式下的光電二極管即使在無光照條件下也會產(chǎn)生一個極小的暗電流， 暗電流可能會引入輸入噪聲。 因此選用光伏模式。

根據(jù)上文對硅光電二極管特性的描述，選擇了適合的硅光電檢測器件和ICL7650運(yùn)放芯片設(shè)計成電路進(jìn)行分析。選擇的7650運(yùn)放可以使微弱直流光電信

    號得到有效地放大，還能補(bǔ)償電路溫度飄逸干擾，有助于電路輸出信號精度的提升，因此適用于低噪聲，微電流。

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圖2.2 工作模式

后面電路接上負(fù)載與檢測器件組成完整的光電檢測電路。

2.2 光電檢測電路的檢測實現(xiàn)

先使用示波器來對無光照射條件下所搭建電路的輸出噪聲進(jìn)行了測試測試結(jié)果表明該檢測電路的靈敏度能夠到達(dá)10mV。當(dāng)光照條件較差時，為了對微弱光信號進(jìn)行充分收集，同時盡量地將光電器件受光照不均勻消除，從而提升實驗精度，實驗過程中可以先利用透鏡將微弱光信號進(jìn)行聚焦，然后再將聚焦后的光信號以正面垂直的方式照射到硅光電二極管的感光面，然后再對的輸入端光照與輸出端電壓之間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步測量，測量結(jié)果表明將硅光電二極管應(yīng)用于光電檢測電路中，同時在配以低噪聲高增益的運(yùn)放芯片，其電路具有良好的線性輸出響應(yīng)。

這里介紹一些硅光電二極管的應(yīng)用：（1）在光電陰極與硅光電二極管的結(jié)合中      

的應(yīng)用：荷蘭D E P 公司最近推出一種混

成光電倍增管, 這是一種全新的概念。這種光電倍增管由一個傳統(tǒng)的光電陰極和一個硅光電二極管構(gòu)成, 兩者都裝在同一個管子內(nèi)。光電陰極把光子轉(zhuǎn)換成電子, 電子得到加速后聚焦在硅光電二極管上。這種光電倍增管的增益與加速電壓成正比, 其主要特點是響應(yīng)時間短(2 ns)、增益高( 3＊103)、線性度好(104)；

（2）二極管陣列檢測器（diode-array detector, DAD）是以光電二極管陣列（或CCD陣列，硅靶攝像管等）作為檢測元件的。它可構(gòu)成多通道并行工作，同時檢測由光柵分光，再入射到陣列式接受器上的全部波長的信號，然后，對二極管陣列快速掃描采集數(shù)據(jù)，得到的是時間、光強(qiáng)度和波長的三維譜圖。

（3）硅光電二極管在光纖探測器中的應(yīng)用；

（4）硅光電二極管在CCD中的應(yīng)用等。

本文通過硅光電二極管的基本結(jié)構(gòu)及電路特性的分析，并以此給出了一個檢測思路，同時對該電路進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明該光電檢測電路具有結(jié)構(gòu)簡單、線性良好、輸出噪聲低等優(yōu)點。因此，光電二極管檢測電路中硅光電二極管的選用及應(yīng)用應(yīng)該注意光電檢測電路的噪聲特性及線性響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈牧霖，曾國強(qiáng)，馬雄楠.一款低成本硅PIN光電二極管偏置電路的設(shè)計及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014(13):159-161.

鄭培超，于斌，劉克銘.硅光二極管光電檢