光电二极管教程

光电二极管教程

工作原理

结光电二极管是一种基本器件，其功能类似于一个普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，它会产生光电流。光电二极管是一种快速，高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，可应用于各种不同的场合。

根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观了解光电二极管的主要性质，更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。

图1: 光电二极管模型

光电二极管相关术语

响应度
光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(I_PD)和入射光功率(P)之比：

工作模式(光导模式和光伏模式)

光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。 工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。

光导模式

处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。 电路中测得的电流代表器件接受到的光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。 外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应度趋向直线。 工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。 (注: 我们的DET器件都是反向偏置的，不能工作在正向偏压下。)

光伏模式

光伏模式下，光电二极管是零偏置的。 器件的电流流动被限制，形成一个电压。 这种工作模式利用了光伏效应，它是太阳能电池的基础。 当工作在光伏模式时，暗电流最小。

暗电流

暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电容, 但也会增加当前暗电流的大小。

当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下表给出了几种光电二极管材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格。

结电容

结电容（C_j）是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结电容，增大响应速度。

带宽和响应

负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应，一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆的同轴电缆。带宽（f_BW）和上升时间响应（t_r）可以近似用结电容（C_j）和负载电阻（R_load）表示：

噪声等效功率
噪声等效功率(NEP)是信噪比等于1时产生的RMS信号电压。它是非常有用的参数，因为NEP决定了探测器探测弱光的能力。一般而言，NEP随着探测器的有效区域而增大，且可以用下式表示：

在这里，S/N是信噪比，Δf是噪声带宽，入射能量的单位是W/cm²。更多关于NEP的信息请看Thorlabs的噪声等效功率白皮书。

终端电阻

使用负载电阻将光电流转换为电压（V_OUT）以便在示波器上显示：

根据光电二极管的类型，负载电阻影响其响应速度。为达到最大带宽，我们建议在同轴电缆的另一端使用50欧姆的终端电阻。其与电缆的本征阻抗相匹配，将会最小化谐振。如果带宽不重要，您可以增大负载电阻（R_load），从而增大给定光功率下的光电压。终端不匹配时， 电缆的长度对响应影响很大，所以我们建议使电缆越短越好。

分流电阻

分流电阻代表零偏压下光电二极管的结电阻。理想的光电二极管分流电阻无限大，但实际值可能从十欧姆到几千兆欧不等，与其材料有关。例如，InGaAs探测器分流电阻在10兆欧姆量级，而Ge探测器的分流电阻在千欧量级。这会显著影响光电二极管的噪声电流。然而，在大部分应用中，大电阻几乎不产生效应，因而可以忽略。

串联电阻

串联电阻是半导体材料的电阻，这个小电阻通常可以忽略。串联电阻来自于光电二极管的触点和线接头，通常用来确定二极管在零偏压下的线性度。

通用工作电路

图2：反向偏压电路（DET 系列探测器）

DET系列探测器有上面所示的模块化电路。探测器反向偏置对输入光产生线性响应。光电流的大小与入射光大小以及波长有关，输出端加一个负载电阻就可以在示波器上显示。RC滤波电路的作用是滤掉输入电源的高频噪声，这些噪声会影响输出端的噪声。

图3：放大探测器电路

也可以用光电探测器加放大器来实现所需要的高增益。用户可以选择工作在光导模式和光伏模式。使用这个有源电路有几个优势：

• 光伏模式：由于运算放大器A点电势和B点电势相等，因而光电二极管两端的电势差为零伏。这样最小化了暗电流的可能
• 光导模式：二极管反向偏置，于是增大了带宽降低了结电容。探测器的增益与反馈元件（R_f）有关。探测器的带宽可用下面的式子计算：

其中GBP是放大器增益带宽积，C_D是结电容和放大器电容之和。

斩波频率的影响

光导体信号将保持不变，直到时间常数响应极限为止。许多探测器（包括PbS、PbSe、HgCdTe (MCT)和InAsSb探测器）具有1/f的典型噪声频谱(即，噪声随着斩波频率增大而减小)，这会对低频时的时间常数具有较大影响。

探测器在低斩波频率下会表现出较低响应度。频率响应和探测率对于下式最大化

根据光电二极管的类型，负载电阻影响其响应速度。为达到最大带宽，我们建议在同轴电缆的另一端使用50欧姆的终端电阻。其与电缆的本征阻抗相匹配，将会最小化谐振。如果带宽不重要，您可以增大负载电阻（R_load），从而增大给定光功率下的光电压。终端不匹配时， 电缆的长度对响应影响很大，所以我们建议使电缆越短越好。

分流电阻

分流电阻代表零偏压下光电二极管的结电阻。理想的光电二极管分流电阻无限大，但实际值可能从十欧姆到几千兆欧不等，与其材料有关。例如，InGaAs探测器分流电阻在10兆欧姆量级，而Ge探测器的分流电阻在千欧量级。这会显著影响光电二极管的噪声电流。然而，在大部分应用中，大电阻几乎不产生效应，因而可以忽略。

串联电阻

串联电阻是半导体材料的电阻，这个小电阻通常可以忽略。串联电阻来自于光电二极管的触点和线接头，通常用来确定二极管在零偏压下的线性度。

通用工作电路

图2：反向偏压电路（DET 系列探测器）

DET系列探测器有上面所示的模块化电路。探测器反向偏置对输入光产生线性响应。光电流的大小与入射光大小以及波长有关，输出端加一个负载电阻就可以在示波器上显示。RC滤波电路的作用是滤掉输入电源的高频噪声，这些噪声会影响输出端的噪声。

图3：放大探测器电路

也可以用光电探测器加放大器来实现所需要的高增益。用户可以选择工作在光导模式和光伏模式。使用这个有源电路有几个优势：

• 光伏模式：由于运算放大器A点电势和B点电势相等，因而光电二极管两端的电势差为零伏。这样最小化了暗电流的可能
• 光导模式：二极管反向偏置，于是增大了带宽降低了结电容。探测器的增益与反馈元件（R_f）有关。探测器的带宽可用下面的式子计算：

其中GBP是放大器增益带宽积，C_D是结电容和放大器电容之和。

斩波频率的影响

光导体信号将保持不变，直到时间常数响应极限为止。许多探测器（包括PbS、PbSe、HgCdTe (MCT)和InAsSb探测器）具有1/f的典型噪声频谱(即，噪声随着斩波频率增大而减小)，这会对低频时的时间常数具有较大影响。

探测器在低斩波频率下会表现出较低响应度。频率响应和探测率对于下式最大化