日期：2022-08-05
光電二極管是常用的光電探測(cè)器，它在很大程度上取代了以前使用的真空光電管。它們是包含 p-n 結(jié)的半導(dǎo)體器件，通常在 n 層和 p 層之間有一個(gè)本征(未摻雜)層。具有本征層的器件稱為p-i-n或PIN 光電二極管。在耗盡區(qū)或本征區(qū)吸收的光會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中大部分會(huì)產(chǎn)生光電流。在很寬的光功率范圍內(nèi)，光電流可以非常精確地與吸收(或入射)的光強(qiáng)度成比例。
光敏二極管一、工作模式
二極管可以在兩種截然不同的模式下運(yùn)行：光伏模式：像太陽能電池一樣，發(fā)光的光電二極管會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電壓。然而，該電壓對(duì)光功率的依賴性是非線性的(見圖 2)，并且動(dòng)態(tài)范圍相當(dāng)小。此外，沒有達(dá)到最大速度。
光敏二極管二、光電導(dǎo)模式
在這里，反向電壓被施加到二極管(即，在沒有入射光的情況下二極管不導(dǎo)通的方向上的電壓)并測(cè)量產(chǎn)生的光電流。該反向偏置模式的最簡(jiǎn)單解決方案是基于電壓源和負(fù)載電阻，如圖 3 所示。光電流對(duì)光功率的依賴性在光功率的六個(gè)或更多數(shù)量級(jí)上可以是非常線性的，例如，對(duì)于具有幾 mm 2有源面積的硅 p-i-n 光電二極管，范圍從幾納瓦到幾十毫瓦. 反向電壓的大小對(duì)光電流幾乎沒有影響，而對(duì)(通常很小的)暗電流(在沒有光的情況下獲得)有一些影響。較高的反向電壓往往會(huì)使響應(yīng)更快，但也會(huì)增加器件的發(fā)熱，這對(duì)于高光電流來說可能是一個(gè)問題。
光敏二極管三、運(yùn)算放大器
人們經(jīng)常使用電流放大器(也稱為跨阻放大器)。這種放大器通常由運(yùn)算放大器 (op-amp) 實(shí)現(xiàn)，它使二極管處的電壓保持幾乎恒定(例如接近零，或處于某些可能可調(diào)的反向偏壓)，因此光電二極管的電容失去了大部分相關(guān)性. 光電二極管的殘余電壓變化與所用運(yùn)算放大器的增益成反比。盡管如此，當(dāng)需要高檢測(cè)帶寬時(shí)，最好盡量減少輸入電容。例如，最好將光電二極管直接連接到電流放大器，而不是使用長(zhǎng)電纜連接。
光敏二極管四、噪聲特性
也可作為 OEM 設(shè)備使用的電流放大器也可以具有非常好的噪聲特性。相關(guān)數(shù)字是噪聲等效輸入電流，它可以遠(yuǎn)低于 1 pA/Hz 1/2。市售的實(shí)驗(yàn)室電流放大器通過提供許多不同的靈敏度設(shè)置來幫助使功率測(cè)量非常靈活，因此具有低噪聲性能的巨大動(dòng)態(tài)范圍，還可能具有內(nèi)置顯示器、可調(diào)節(jié)偏置電壓和信號(hào)偏移、可調(diào)節(jié)濾波器、等等
光敏二極管五、關(guān)鍵特性
光電二極管最重要的特性是：響應(yīng)度，即每單位光功率的光電流——與量子效率有關(guān)，取決于有效區(qū)域，即感光區(qū)擊穿電壓，設(shè)置一個(gè)限制到可用的偏置電壓,最大允許光電流(通常受飽和限制，高偏置電壓可能更低),暗電流(在光電導(dǎo)模式下，取決于偏置電壓，對(duì)于檢測(cè)低光水平很重要)，即帶寬(見下文)，與上升和下降時(shí)間有關(guān)，通常受電容影響 。
光敏二極管六、額外電壓降
當(dāng)施加偏置電壓時(shí)，通常相當(dāng)高的分流電阻會(huì)產(chǎn)生小電流。它還會(huì)產(chǎn)生一些熱噪聲電流，這在某些情況下會(huì)限制靈敏度。通常較小的串聯(lián)電阻會(huì)導(dǎo)致與光電流成比例的額外電壓降，并且也會(huì)在一定程度上增加檢測(cè)噪聲。
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