光電二極管教程

1、光電二極管教程工作原理結(jié)光電二極管是一種根本器件，其功能類似于一個(gè)普通的信號(hào)二極管，但在結(jié)半導(dǎo)體的耗盡區(qū)吸收光時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生光電流。光電二極管是一種快速，高線性度的器件，在應(yīng)用中具有高量子效率，可應(yīng)用于各種不同的場(chǎng)合。根據(jù)入射光確定期望的輸出電流水平和響應(yīng)度是有必要的。圖1描繪了一個(gè)結(jié)光電二極管模型，它由根本的獨(dú)立元件組成，這樣便于直觀了解光電二極管的主要性質(zhì)，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術(shù)語(yǔ)響應(yīng)度光電二極管的響應(yīng)度可以定義為給定波長(zhǎng)下，產(chǎn)生的光電流I pd和入射光功率P之比：工作模式光導(dǎo)模式和光伏模式光電二極管可以工作在這兩個(gè)模式中的一個(gè)：光導(dǎo)

2、模式反向偏置或光伏模式零偏置。工作模式的選擇根據(jù)應(yīng)用中速度和可接受暗電流大小漏電流而定。光導(dǎo)模式處于光導(dǎo)模式時(shí)，有一個(gè)外加的偏壓，這是我們DET系列探測(cè)器的根底。電路中測(cè)得的電流代表器件接受到的光照；測(cè)量的輸岀電流與輸入光功率成正比。外加偏壓使得耗盡區(qū)的寬度增大，響應(yīng)度增大，結(jié)電容變小，響應(yīng)度趨向直線。工作在這些條件下容易產(chǎn)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(dòng)被限制，形成一個(gè)電壓。這種工作模式利用了光伏效應(yīng)，它是太陽(yáng)能電池的根底。當(dāng)工作在光伏模式時(shí)，暗電流最小。

3、暗電流暗電流是光電二極管有偏壓時(shí)的漏電流.工作在光導(dǎo)模式時(shí)，容易岀現(xiàn)更高的暗電流，并與溫度直接相關(guān).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(yīng)用更大的偏壓會(huì)降低結(jié)電容，但也會(huì)增加 當(dāng)前暗電流的大小.當(dāng)前的暗電流也受光電二極管材料和有源區(qū)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.下表給岀了幾種光電二極管材料及它們相關(guān)的暗電流，速度，響應(yīng)波段和價(jià)格.MaterialDark Curre ntSpeedSen sitivity*CosSilicon (Si)LowHigh Speed400 - 1000 nmL

4、owMaterialDark Curre ntSpeedSen sitivity*CosGermanium (Ge)HighLow Speed900 - 1600 nmLowGallium Phosphide (GaP)LowHigh Speed150 - 550 nmModeraIndium Gallium Arsenide (InGaAs)LowHigh Speed800 - 1800 nmModeraExtended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs)HighHigh Speed1200 - 2600 nmHigh*代表近似值結(jié)電容結(jié)電容Cj是光

5、電二極管的一個(gè)重要性質(zhì)，對(duì)光電二極管的帶寬和響應(yīng)有很大影響。需要注意的是，結(jié)區(qū)面積大的二極管結(jié)體積也越大，也擁有較大的充電電容。在反向偏壓應(yīng)用中，結(jié)的耗盡區(qū)寬度增加，會(huì)有效地減小結(jié)電容，增大響應(yīng)速 度。帶寬和響應(yīng)負(fù)載電阻和光電二極管的電容共同限制帶寬。要得到最正確的頻率響應(yīng)，一個(gè)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(shí)間響應(yīng)tr可以近似用結(jié)電容Cj和負(fù)載電阻Rioad表示：終端電阻使用負(fù)載電阻將光電流轉(zhuǎn)換為電壓 Vout以便在示波器上顯示：根據(jù)光電二極管的類型，負(fù)載電阻影響其響應(yīng)速度。為到達(dá)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

6、相匹配，將會(huì)最小化諧振。如果帶寬不重要，您可以增大負(fù)載電阻Road ，從而增大給定光功率下的光電壓。終端不匹配時(shí)，電纜的長(zhǎng)度對(duì)響應(yīng)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(jié)電阻。理想的光電二極管分流電阻無(wú)限大，但實(shí)際值可能從十歐姆到幾千兆歐不等，與其材料有關(guān)。例如，InGaAs探測(cè)器分流電阻在10兆歐姆量級(jí)，而Ge探測(cè)器的分流電阻在千歐量級(jí)。這會(huì)顯著影響光電二極管的噪聲電流。然而，在大局部應(yīng)用中，大電阻幾乎不產(chǎn)生效應(yīng)，因而可以忽略。串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻是半導(dǎo)體材料的電阻，這個(gè)小電阻通?？梢院雎?。串聯(lián)電阻來(lái)自于光電二極管的觸點(diǎn)和線接頭，通常用來(lái)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(cè)器DET系列探測(cè)器有上面所示的模塊化電路。探測(cè)器反向偏置對(duì)輸入光產(chǎn)生線性響應(yīng)。光電流的大小與入射光大小以及波長(zhǎng)有關(guān)，輸出端加一個(gè)負(fù)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(huì)影響輸出端的噪聲。圖3 :放大探測(cè)器電路也可以用光電探測(cè)器加放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的高增益。用戶可以選擇工作在光導(dǎo)模式和光伏模式。使用這個(gè)有源電路有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：« 光伏模式：由于運(yùn)算放大器 A點(diǎn)電勢(shì)和B點(diǎn)電勢(shì)相等，因而光電二極管兩端的電勢(shì)差為零伏。這