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光电二极管之光伏模式与光导模式

2013-04-01 10:12阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/68466486

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。
光电二极管之光伏模式与光导模式
图1: 光电二极管模型
光电二极管术语
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(IPD)和入射光功率(P)之比：
光电二极管之光伏模式与光导模式
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.
Material
 Dark Current
 Speed
 Sensitivity*
 Cost
Silicon (Si)
 Low
 High Speed
 400 - 1000 nm
 Low
Germanium (Ge)
 High
 Low Speed
 900 - 1600 nm
 Low
Gallium Phosphide (GaP)
 Low
 High Speed
 150 - 550 nm
 Moderate
Indium Gallium Arsenide (InGaAs)
 Low
 High Speed
 800 - 1800 nm
 Moderate
Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs)
 High
 High Speed
 1200 - 2600 nm
 High

* 代表近似值
结电容
结电容（Cj）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（fBW）和上升时间响应（tr）可以近似用结电容（Cj）和负载电阻（Rload）表示：
光电二极管之光伏模式与光导模式
终端电阻
使用负载电阻将光电流转换为电压（VOUT）以便在示波器上显示：
光电二极管之光伏模式与光导模式
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（Rload），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
光电二极管之光伏模式与光导模式
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。
光电二极管之光伏模式与光导模式
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（Rf）有关。探测器的带宽可用下面的式子计算：
光电二极管之光伏模式与光导模式
其中GBP是放大器增益带宽积，CD是结电容和放大器电容之和。

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