光电二极管（Photo-Diode）工作原理与输出电压计算（光导模式：外加偏压和光伏模式：零偏置）

光电⼆极管（Photo-Diode）⼯作原理与输出电压计算（光导模式：外加偏压和光伏模式：零偏置）光电⼆极管（Photo-Diode）⼯作原理与输出电压计算光电池与运算放⼤器相连的典型应⽤电路如下图所⽰。下图中，Rf为反馈电阻，它的取值⼤⼩决定着电路的放⼤能⼒，亦决定着光控灵敏度。接线时，要注意BP的正、负极性。如发现光控效果不好，只需将光电池正、负极调换即可。光电⼆极管（Photo-Diode）是由⼀个PN结组成的半导体器件，具有单⽅向导电特性。光电⼆极管是在反向电压作⽤之下⼯作的，在⼀般照度的光线照射下，所产⽣的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，⽽且这个电信号随着光的变化⽽相应变化。输出电压=输⼊光信号×响应度×50Ω负载结光电⼆极管是⼀种基本器件，功能类似于普通的信号⼆极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，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，适合多种应⽤。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，这样便于直观地了解光电⼆极管的主要性质，更好地掌握Thorlabs光电⼆极管的⼯作过程。图1:光电⼆极管模型光电⼆极管相关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：⼯作模式(光导模式和光伏模式)光电⼆极管有两种⼯作模式：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。在这些条件下⼯作容易产⽣较⼤的暗电流，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，不能在正向偏压下⼯作。)光伏模式光伏模式下，光电⼆极管是零偏置的。器件的电流流动受到限制，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。当在光伏模式⼯作时，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。在光导模式⼯作时，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，硅器件的暗电流通常⽐锗器件的⼩。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。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50Ω的终端需要使⽤⼀条50Ω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：噪声等效功率噪声等效功率(NEP)是信噪⽐等于1时产⽣的RMS信号电压。它是⾮常有⽤的参数，因为NEP决定了探测器探测弱光的能⼒。⼀般⽽⾔，NEP随着探测器的有源区⽽增⼤，且可以⽤下式表⽰：在这⾥，S/N是信噪⽐，Δf是噪声带宽，⼊射能量的单位是W/cm2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：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。通⽤⼯作电路图2：反向偏压电路(DET系列探测器)如上⾯所⽰的模块化电路DET系列探测器。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。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：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。斩波频率的影响光导体信号将保持不变，直到时间常数响应极限为⽌