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光电二极管（PD）参数全解析-滨松代理

2017-10-31 10:59阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1700646262

PD（光电二极管）是一类应用非常广泛的光探测器件，作为PD市场的深度玩家，滨松具有上千种PD型号，不仅涵盖了从紫外到近红外直至太赫兹区域等宽广的波长范围，而且金属、陶瓷、塑料封装到表面贴装等各种封装类型一应俱全。
面对如此海量的PD型号，选型中就肯定绕不开参数表——只有将各参数项吃透，了解数值代表的是哪个范畴的意义，才不会对产品的性能产生误判，从而选择到最为合适目标应用的产品。

滨松PD从研发、生产，到检验、组装都由日本本部工厂完成，目前有上千种标准型号，且提供定制化服务。滨松PD不仅具有快速响应、高灵敏、低噪声等特性，而且批次间一致性之好在业界有口皆碑，已经广泛地应用于医疗、分析、安全、计测、光通信以及消费电子等中。可参考滨松PD综合样本。
我们主要从滨松PD样本中常见的参数项着手：

① 光灵敏度（
S,Photosensitivity）&
② 光谱响应范围（Spectral response range）

滨松PD参数中的光灵敏度（单位：A/W）为光电流（单位：A）与特定波长入射光辐射能通量（单位：W）的比值。
滨松的样本中，一般都会包含一张光灵敏度（Photosensitivity）vs波长（wavelength）的图。而在参数表中，除了会给出光灵敏度最高的波长（Peak sensitivity wavelength，见标识②）之外，有时也会列出几个特定波长的光灵敏度供快速查询（见标识①）。
温度也会对光灵敏度造成一定影响，一般说来，在比光灵敏度峰值波长长的波段内，温度与光灵敏度正相关；而在比光灵敏度峰值波长短的波段内，光灵敏度则不随温度变化。
滨松PD的参数表中基本都会列出光谱响应范围（Spectral response range，见标识②），其定义为光灵敏度高于最大值5%或10%的波长范围。

量子效率（QE，Quantum efficiency）
量子效率定义为特定波长的光照下，最终形成光电流的电子（或空穴）数目占总入射光子的百分比。单位一般为%。由于不同波长的光子能量不同，所以QE的峰值是可能与光灵敏度（Photosensitivity）不一样的。两者的换算公式为：


③ 短路电流（Isc，Short circuit current）

短路电流是对于没有负载电阻（Loading resistance）的PD电路中（可以理解为直接用导线接通PD的两极），受到光照时所产生的电流大小。

滨松PD参数中所给出的短路电流都是采用色温为2856K钨灯，照度（illuminance）100 lux时的值，所以参数表中会写作“Short circuit currentIsc 100 lx”（见标识③）。在一些型号的样本中，还会额外给出短路电流vs照度的曲线（Short circuit current linearity）以显示其线性关系。

光灵敏度 vs 短路电流
对比两个概念，虽然两者都能够反映出PD的灵敏度。但特别需要注意的是，光灵敏度（Photosensitivity）对应的是一个能量的概念，我们是可以说“某某波长的光灵敏度是多少”的；而短路电流（Short circuit current）则对应于光度学（Photometry）中的照度（illuminance），照度和人眼相关的，所以短路电流并不能和波长去一一对应。

④ 暗电流（ID,dark current）&
⑤ 暗电流温度系数（Tcid,Temp. coefficient of ID）
当电路中加上了反向电压（VR）时，会一直有电流通过PD，这个电流甚至在PD不感光时也依然存在，所以称之为暗电流。暗电流是PD噪声的三个主要来源之一（另外两个中，一个是分流电阻Rsh所造成的热噪声，本文的相关章节会提到；一个是天生无法避免的来自信号本身的散粒噪声shot noise，其原理可以类比后面马上要解释的暗电流带来噪声的原理）。但暗电流本身不是噪声，暗电流的不确定性（其实就是来自暗电流的散粒噪声）才是噪声。
举个具体的例子，假设暗电流为100pA，实际的暗电流则是会在100pA左右波动，这一时刻可能是97pA，下一时刻又变成101pA，这个不确定性的绝对量随着暗电流的变大会变大，所以暗电流越大，PD的噪声就越大。

暗电流的产生可以理解为来自PD内部电子的热运动，主要相关的参数有二：反向电压（VR）和温度。直观地理解：
1）、反向电压（VR）越强，PD中电场越强，热运动产生的自由电子（载流子）就越可能被电场驱动成为电流，那么暗电流也就越强。相应的，几乎所有的滨松PD样本中都会有一张图（Dark current vs Reverse voltage）来标明相应型号中具体的情况，而参数表中也会给一个特定反向电压下的暗电流数值作为最直观的参考；
2）、温度越高，PD中电子的热运动越厉害，就可能由此产生更多的自由电子（载流子），故而暗电流也会更大。参数表中的Tcid（Temp. coefficient of ID，在一些样本中，由于排版原因，被错误地显示成了“Temp coefficient of TCID”）就反应了具体PD型号中温度对于暗电流的影响程度，TCID越大，相应型号PD的暗电流随温度变化越大。

⑥ 分流电阻（Rsh, Shunt resistance）

PD的伏安曲线是非线性的，但是当电压在0V附近时，PD的伏安曲线近乎线性。滨松PD样本中的分流电阻（Rsh，见标识⑥）就定义为没有光照且反向电压（VR）为10mV的情况下，反向电压与暗电流的比值。

分流电阻（Rsh）对应的热噪声与分流电阻的二分之一次方成反比。这个噪声在不加反向电压的PD电路中是噪声的主要来源（当然，无论什么情况下，随着信号越来越强，信号本身的散粒噪声也会相应增大，最终成为主要噪声来源）。此外，在一些型号的样本中，还给出了分流电阻vs温度的曲线（shunt resistance temperature characteristics）。

⑦ 噪声等效功率（NEP,noise equivalent power）
信噪比为1时所对应的光信号辐射能通量可以看作是PD的探测下限。因为噪音与频率的二分之一次方成正比，所以PD的探测下限不仅与探测波长的光灵敏度（Photo sensitivity）相关，也与频率相关。滨松样本中所提供的噪声等效功率NEP单位为W/Hz^0.5，为噪声电流（单位：A/Hz^0.5）与光灵敏度S（单位：A/W）的比值。特别的，滨松样本中的NEP均对应于光灵敏度的峰值波长（见标识⑦）。
总的来说，NEP越小，代表此型号PD的探测下限越低，也就越适合于弱光探测。当需要计算频率为f，波长为a的情况下所能探测的最小辐射能通量时，我们需要先从样本中查到光灵敏度峰值波长的光灵敏度S（peak）以及a波长的光灵敏度S（a），然后代入以下公式进行计算。


⑧ 上升时间（tr,Rise time）

在滨松的参数中，上升时间（tr）定义为信号强度从最终强度的10%上升到90%所用的时间。终端电容（Ct）下降，反向电压（VR）上升和负载电阻（RL）下降均可以缩短上升时间（tr）并最终提升PD的响应速度。

截止频率（fc,Cutoff frequency）
当光电二极管接收到激光二极管等发射的正弦调制光波时，其截止频率fc定义为光电二极管的输出（电流或电压）相比于100%输出下降3 dB时的频率。截止频率（fc）与上升时间（tr）的换算公式为：tr（s）=0.35 / fc（Hz）。

⑨ 终端电容（Ct）& 结电容（Cj）

由于耗尽层的存在，PD的PN结中会形成一个等效电容，称作结电容（Cj）。滨松所给出的终端电容（Ct）是在没有光信号时的PD总电容，包含了结电容（Cj）和封装时所产生的寄生电容（package stray capacitance），是一个更加实用的数据。一般说来，终端电容（Ct）越大，响应速度越慢——通俗地理解，电容大了，充放电时间变长，最终影响PD输出信号的时效性。

反向电压（VR,Reverse voltage）
对于PD中的PN结，从P端到N端的电场/电压为正向的；反之为反向。电路中加到PD上的反向电压有如下作用：
1）、加一个反向电压可以提升PD的时间相应属性，或者说，从接收到光信号到输出电信号的时间更短；
2）、加一个反向电压，能够测更强的光（或者说，提升线性范围的上限）。通俗的解释如下：PN结的内电场是个反向的，光一照，新增的载流子顺着内电场（对应的就是接触电势差，Vbi）的方向运动，从整个PN结来看就有了一个正向的开路电压了（Voc）。但是开路电压的绝对值是不可能高于接触电势差的，因为当两者一样的时候，合起来电压为0，再多的载流子，没有了电压也不会形成电流，从而无法进一步增加开路电压了。在这种情况下，所能测得光照强度是有限的。但是如果外加一个反向电压（VR），就相当于把这个上限提升了，之后PD就可以对更强的光产生响应而不会饱和；
3）、反向电压会带来暗电流（ID），详细分析见以上暗电流部分。
需要注意的是，过大的反向电压会导致击穿。PD能够不被击穿正常工作的最大电压即为最大反向电压（VR max）。
负载电阻（RL,Load resistance）
在最基础的一类光电二极管工作电路中（如下图），负载电阻可以将光电流转化为电压便于测量。

同样的光电流，负载电阻越大，转化出的电压越大（但无法超过反向电压和PN结内电场对应电压的和）。但是：
1）、负载电阻越大，检测上限会越低（或者说会减小线性范围的上限）；
2）、负载电阻的大小会影响到PD对光信号的相应速度，负载电阻越大，响应越慢。
PD选型常见问题解析

在实际情况中，PD的“响应速度”和“探测下限”是经常在咨询中被提及，而它们之于上述的参数有着什么样的关系呢？

响应速度
响应速度通常由上升时间（Rise time，tr）和截止频率（Cutoff frequency, fc）进行描述。影响响应速度的三大要素为：
1）、由终端电容（Ct）和负载电阻（RL）所决定的电路性质；
2）、耗尽层外载流子的扩散时间；
3）、载流子在耗尽层的渡越时间。

相对于短波长光，较长波长的光通常会激发较多耗尽层外的载流子，故而其扩散时间延长，响应速度变慢。除此以外，以下三个手段是更常见的提升PD响应速度的手段：
1）、选择较低终端电容（Ct）的光电二极管；
2）、减小电路中的负载电阻（RL）；
3）、通过加反向电压（VR）也可以降低终端电容（Ct），最终得到更快的响应速度。（注意，暗电流随着反向电压的增加而增加。）


参数关系图
FAQ
Q：如何通俗地理解：反向电压升高会有利于响应速度变快?
A：加上越强的反向电压，PN结中的电场也就越强，光子所打出的载流子在电场中的加速自然更快，所以整个器件的响应速度变快。

Q：许多其他厂家只给出了结电容（Cj，junction capacitance）的数据，这个和滨松给出的终端电容（Ct，terminal capacitance）有什么区别？
A：滨松所给出的终端电容（Ct）包含了结电容（Cj）和封装时所产生的寄生电容（package stray capacitance），是一个更加实用的数据。
Q：滨松的上升时间（tr，rise time）和截止频率（fc，cutoff frequency）都是如何定义的？
A：在滨松的参数中，上升时间（tr）定义为信号强度从最终强度的10%上升到90%所用的时间；截止频率（fc）定义为当光电二极管接收到激光二极管等发射的正弦调制光波时，其截止频率fc定义为光电二极管的输出相比于100%输出下降3 dB时的频率。两者的关系可以用下面这个公式进行近似换算：fc=0.35/tr。

探测下限
探测下限通常由噪声等效功率（NEP，noise equivalent power）进行描述。探测下限主要由PD在对应波长的光灵敏度、光信号的频率以及PD的噪声特性共同决定。而PD的噪声电流主要来自于三个方面：
1）、反向电压（VR）所导致的暗电流（ID），VR越高，暗电流越大；
2）、分流电阻（Rsh）相关的热噪声：分流电阻越高，噪声电流越低。在电路中不加反向电压（VR）的情况下，这是最主要需要考虑的因素；
3）、光电流（信号）所产生的不可避免的散粒噪声电流。

参数关系图
FAQ
Q：如何通俗地理解：反向电压升导致暗电流上升？
A：加上越强的反向电压，PN结中的电场也就越强，热运动所产生的载流子就更加可能被电场驱动而最终生成电流。所以反向电压越大，暗电流越大。
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