日期：2023-01-09
光敏二極管可以在沒有任何電壓偏置的情況下工作。APD 設(shè)計(jì)為反向偏置，因此本節(jié)將與 PN 和 PIN 光敏二極管相關(guān)。如果沒有在結(jié)兩端增加電壓，暗電流可能會(huì)非常低(接近于零)。這降低了系統(tǒng)的整體噪聲電流。因此，與使用反向電壓偏置操作相比，無偏置 PN 或 PIN 光電二極管更適合低照度應(yīng)用。(對(duì)于弱光應(yīng)用，反向偏置 APD 仍將提供比 PN 或 PIN 光電二極管更高的靈敏度。)無偏置光電二極管也適用于低頻應(yīng)用(高達(dá) 350 kHz)?？梢钥吹秸蚱媚Ｊ?綠色)和反向偏置模式(藍(lán)色)之間的無偏置模式(其中 V = 0)。該圖在無偏時(shí)顯示出非常小的暗電流(如果有的話)。當(dāng)光敏二極管被照亮?xí)r，耗盡區(qū)中的電場(chǎng)增加。這會(huì)產(chǎn)生隨光子通量增加而增加的光電流。這在太陽能電池中最常見，其中在兩個(gè)端子之間測(cè)量產(chǎn)生的電壓。與偏置模式相比，光伏模式的光電流響應(yīng)隨溫度的變化較小。無偏置光電二極管的主要缺點(diǎn)是響應(yīng)速度慢。在系統(tǒng)沒有偏置的情況下，光電二極管的電容最大，導(dǎo)致速度變慢。
光敏二極管一、光電導(dǎo)”模式反向偏置
當(dāng)光敏二極管反向偏置時(shí)，PN 結(jié)上會(huì)施加一個(gè)外部電壓。負(fù)端接正P層，正端接負(fù)N層。這導(dǎo)致 N 層中的自由電子被拉向正極端子，而 P 層中的空穴被拉向負(fù)極端子。當(dāng)向光電二極管施加外部電壓時(shí)，自由電子從負(fù)極開始，并立即用電子填充 P 層中的空穴。這會(huì)在帶有額外電子的原子中產(chǎn)生負(fù)離子。帶電原子然后反對(duì)自由電子流向 P 層。同樣，空穴產(chǎn)生正離子的過程大致相同，但方向相反。反偏時(shí)，反向偏壓導(dǎo)致耗盡區(qū)兩端的電勢(shì)增加，耗盡區(qū)的寬度增加。這是創(chuàng)建大面積以吸收最大量光子的理想選擇。
光敏二極管二、增加耗盡層
通過增加耗盡層的尺寸，反向偏壓可以縮短響應(yīng)時(shí)間。這種增加的寬度降低了結(jié)容量并增加了光電二極管中載流子的漂移速度。承運(yùn)人的運(yùn)輸時(shí)間減少，響應(yīng)時(shí)間縮短。不幸的是，增加偏置電流也會(huì)增加暗電流。對(duì)于使用 PN 或 PIN 光電二極管的非常敏感的系統(tǒng)來說，這種噪聲可能是個(gè)問題。這會(huì)影響低光照條件下的性能。如果使用 APD，無論光電二極管的增益如何，信噪比都會(huì)很大。因?yàn)楣庾釉诤谋M區(qū)被理想地吸收，所以 P 層可以構(gòu)造得非常薄。這可以與反向偏壓相平衡，以創(chuàng)建具有更快響應(yīng)時(shí)間的最佳光電二極管，同時(shí)保持盡可能低的噪聲。
光敏二極管三、反向偏置
操作的另一個(gè)好處是光電二極管相對(duì)于照明的線性輸出(圖 4藍(lán)色部分中的直線)。這僅僅意味著電壓和電流隨著光功率的增加而線性變化(成正比)。還可以看到正向偏置部分(綠色)的非線性。顯示了反向偏置部分(藍(lán)色)及其旁邊的擊穿電壓(紅色)。光電二極管的工作不應(yīng)超過擊穿電壓。這會(huì)損壞光電二極管。光電二極管的 IV 曲線。I 0是暗電流。I P是光電流。P 表示不同光照水平下的電流(P 0是沒有入射光)。
光敏二極管四、與激光二極管集成
激光二極管制造商通常將監(jiān)控光電二極管集成到激光二極管封裝中。它產(chǎn)生與輸出激光二極管光功率部分成比例的電流。如果光電二極管電流用作反饋，控制系統(tǒng)將嘗試保持光電二極管電流(以及激光二極管光功率)恒定?？烧{(diào)電流源的輸出會(huì)發(fā)生變化以保持光功率水平相同(這稱為恒功率 (CP) 模式)。光電二極管電流和激光二極管輸出功率與激光二極管數(shù)據(jù)表中給出的傳遞函數(shù)相關(guān)。光電二極管不僅可以通過向激光系統(tǒng)提供電流來監(jiān)測(cè)激光的 DC 或 CW 輸出，它們還可以測(cè)試激光脈沖形狀并記錄激光脈沖的峰值功率。
光敏二極管五、靈敏度
光敏二極管數(shù)據(jù)表中的信息包括前面討論的四個(gè)主要組件、光敏二極管類型、峰值靈敏度波長(zhǎng)，以及最重要的尺寸和成本。已經(jīng)集成到激光二極管系統(tǒng)中的光電二極管在選項(xiàng)和信息方面可能會(huì)受到限制。激光數(shù)據(jù)表通常會(huì)給出最大反向電壓，有時(shí)還會(huì)給出光電二極管的靈敏度。如果光敏二極管的規(guī)格對(duì)您的激光器設(shè)計(jì)極為重要，則可能需要定制構(gòu)建或組件來滿足您的需求。
光敏二極管六、概括
在決定是否反向偏置光敏二極管時(shí)，一切都?xì)w結(jié)為平衡速度和噪聲并決定什么是最重要的。如果您的應(yīng)用依賴于極低噪聲和低暗電流，您應(yīng)該選擇不偏置光電二極管。如果速度是您的主要關(guān)注點(diǎn)，您應(yīng)該選擇反向偏置光電二極管，因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間會(huì)得到改善。換句話說，如果您的應(yīng)用是基于精度的，那么光伏模式將更適合您的需求。如果您的應(yīng)用是基于速度(高)的，光電導(dǎo)模式或反向偏置模式將更適合這個(gè)領(lǐng)域。反向偏置光電二極管比無偏置模式更靈敏。如果以光伏模式運(yùn)行，則可能需要放大響應(yīng)。
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