硅光电二极管的参数选择

硅光电二极管的参数选择

0硅光电势线管理策略由于响应快、响应精度高、性能稳定、线性好、噪声低，硅光裕适合广泛应用于光电工程的检测电路。特别是在激光通信测量中，我们通常需要测量小于微瓦的光信号，这与硅光裕不在乎。质量好的硅光裕模型用于激光输出测量，测量限额为10-8w，分辨率为10-12w。在很多情况下，电子显微镜电路接收到随时间而变化的光信号，其特点是：相位噪声独特或丰富。当信号非常微弱时，由于电子显微镜噪声和电路的热噪声的影响，需要对信号进行低噪声处理和放大。因此，在交变电阻器的动态信号引导下，正确选择硅光裕算子的参数，可以获得最小干扰失真信号和信号检测的灵敏度。1硅光电势状态下的等效电路光电二极管是一种光电转换器件,其基本原理是当光照射在P—N结上时,被吸收的光能转变为电能,这是一个吸收过程,与发光二极管的自发辐射和激光二极管的受激幅射过程相逆.P—N型硅光电二极管是最基本和应用最广的管子.基本结构如图1所示,它是在N型硅单晶片的上表面扩散一薄层P型杂质,形成P+型扩散层.由于扩散,在P+区和N型区形成一个P+N结.P+区是透明的,光子可以通过P+区到达PN结区产生光电子.在N型硅单晶下表面扩散N型杂质以形成高浓度的N+扩散区,以便给金属电极提供良好的电接触.另一种常用的硅光电二极管是P—I—N型硅光电二极管,其结构同P—N型类似.位于P层和N层之间的耗尽层由本征半导体构成,可以提供一个较大的耗尽深度和较小的电容,适合于反向偏压工作.硅光电二极管的等效电路如图2所示,图中Is为电流源,它是硅光电二极管接收辐射后所产生的光电流Ip和暗电流Id以及噪声电流In之和,即:Is=Ip+Id+In(1)质量好的管子,噪声电流很小,可以忽略.暗电流本身并不影响硅光电二极管对信号的测量,在测量电路中可通过调零消除.但暗电流是温度的函数,在室温下,温度每增高一倍,暗电流要提高十倍,因此,暗流引起的噪声要影响到硅光电二极管探测的灵敏度.同时,暗电流也同硅光电二极管应用时所加偏压有关,偏压越高,暗电流越大;面积越大,暗电流越大.在忽略暗电流和噪声电流的影响时,可以近似认为Is≈Ip(2)Rs是串联电阻,由接触电阻、未耗尽层材料的体电阻所组成,Cd是结电容,Rs、Cd的大小同管子尺寸、结构和偏压有关,偏压越大,Rs、Cd越小,Rd是硅光电二极管的并联电阻,由硅光电二极管耗尽层电阻和漏电阻所构成.它也是随温度的变化而变化的,与管子尺寸有关.结面积越小,Rd越大.温度越高,Rd越小.D为PN结等效二极管,RL为负载电阻,CL为负载电容.2il—硅光电二极管的线性响应与负载电阻的关系在光电检测电路中当检测信号是缓变信号时,电容Cd、CL的影响忽略不计,此时,由图2硅光电二极管的等效电路可知,通过等效二极管D的电流为Id=I0(eqUd/AkT)=I0(eqUd/AVT−1)(3)Ιd=Ι0(eqUd/AkΤ)=Ι0(eqUd/AVΤ-1)(3)(3)式中I0是光电二极管的反向饱和电流,q是电子电量,k是波尔兹曼常数,Ud是加在硅光电二极管上的电压,常数A对于硅材料而言,A≈2,VT=kT/2,流过负载上的电流IL为IL=Ip−Id−IRd=Ip−I0[eIL(RS+RL)/AVT−1]−UdRd=Ip−I0[eIL(Rs+RL)/AVT−1]−IL(Rs+RL)Rd(4)ΙL=Ιp-Ιd-ΙRd=Ιp-Ι0[eΙL(RS+RL)/AVΤ-1]-UdRd=Ιp-Ι0[eΙL(Rs+RL)/AVΤ-1]-ΙL(Rs+RL)Rd(4)由(4)式可知,硅光电二极管接受激光辐射时,输出的负载电流并非线性关系,而是指数关系.在输出短路的情况下,由于Rs≪RL,则(4)式变为IL=Ip−I0(eILRL/AVT−1)(5)ΙL=Ιp-Ι0(eΙLRL/AVΤ-1)(5)如果二极管的向饱和电流很小,而输出电流不大,即保持IsRL≪AVT,可得到IL≈Ip,即输出电流近似等于光电流,也就是线性好.因此,硅光电二极管进行激光测量时要选取Rf大、Rs小、I0小的二极管,并在输出短路状态下工作.下面推导硅光电二极管的线性公式:设硅光电二极管的线性偏差为P=(Ip-IL)/IL,将(5)式代入得P=Ip−ILIL=Ip−(Ip−Id−IRd)IL=Id+IRdIL=I0(eIL(Rs+RL)/AVT−1)+(Rs+RL)⋅IL/RdIL=I0(eUd/AVT−1)+Ud/RdIL(6)Ρ=Ιp-ΙLΙL=Ιp-(Ιp-Ιd-ΙRd)ΙL=Ιd+ΙRdΙL=Ι0(eΙL(Rs+RL)/AVΤ-1)+(Rs+RL)⋅ΙL/RdΙL=Ι0(eUd/AVΤ-1)+Ud/RdΙL(6)由(6)式可以定性看出Rs越小,Rd越大,I0越小时,线性P值越小,即线性好.在负载短路状态下,RL=0,一般RS≪Rd,故(6)式可简化为路状态下线性偏差IL—P曲线P=I0IL=(eIL⋅Rs/AVT−1)(7)Ρ=Ι0ΙL=(eΙL⋅Rs/AVΤ-1)(7)由(7)式可见:只要I0和Rs值很小,则线性偏差值很小,即线性好.对于2CUGS型硅光电二极管,其暗电流I0=2.1nA,串联电阻Rs=10Ω,常数A=2,在常温下计算得1/AVT≈20(1/V).带入(7)式可得不同输出短路电流情况下的IL—P曲线.如图3所示.由图3可见其线性很好,但输出电流IL≫1mA时,P值增加很快,硅光二极管的线性变差.当RL≠0时,又考虑(RL+Rs)≪Rd的情况下,(6)式化简为P=I0IL(eU/AVT)=I0IL(eILRs/AVT−1)(8)Ρ=Ι0ΙL(eU/AVΤ)=Ι0ΙL(eΙLRs/AVΤ-1)(8)第20卷第5期付文羽等:硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究21由(8)式可得,在IL不为零时,随着RL的增大P值增大,线性变坏.若取R=100Ω,1kΩ,则在其它条件不变的情况下所得的IL—P曲线如图4所示3韩光诚的噪声特性分析3.1区隔pn,确定频率,即梯度1,2.;由PN结中随机电流产生的,即PN结载流子运动的随机变化所引起的噪声.它与频率无关,属于白噪声.设Δf为光电二极管工作的频带宽度,Is≈Ip为通过PN结的电流,q为电子电荷,则散粒噪声Inp的数值可表示为Inp=(2qIpΔf)12(9)Ιnp=(2qΙpΔf)12(9)3.2光电流噪声电流的测量热噪声是由自由电子在电阻材料中随机运行所产生的,其值为Vd=(4kTRdΔf)12(10)Vd=(4kΤRdΔf)12(10)式中k为玻尔兹曼常数,T为绝对温度,Rd是硅光电二极管的内阻,所产生的热噪声电流值为Ind=(4kTRdΔf/Rd)12(11)Ιnd=(4kΤRdΔf/Rd)12(11)由(9)、(10)式可得硅光电二极管本身产生的总噪声电流为I2n=(2qIpΔf+4kTRdΔf/Rd)12(12)Ιn2=(2qΙpΔf+4kΤRdΔf/Rd)12(12)其信噪比为S/N=Ip/In=Ip/(2qIpΔf+4kTRdΔf/Rd)12(13)S/Ν=Ιp/Ιn=Ιp/(2qΙpΔf+4kΤRdΔf/Rd)12(13)由(13)式可见,对于内阻大的硅光电二极管,其噪声电流要小一些.表1列出了不同光电流下两种噪声电流的比较.由表可看出,当光电流大于10-10A时散粒噪声随着电流的增加而显著地变大.因此,在光电检测电路中,减小光电二极管的散粒噪声就成了主要问题.3.3光电检测电路的噪声模型用硅光电二极管组成的光电检测电路,信噪比除了与选用的二极管的性能和偏压方式有关之外,还与输入电路的元件参数有关.如果考虑到测量时的线性,必须保证负载阻抗为零.因此,常用低噪声运算放大器接成电流电压转换器的办法来满足这一要求.如图5所示.由于负反馈运算放大器的等效输入阻抗为Rin=Rf/(1+A),其中A为运算放大器的开环增益,Rf为放大器的反馈电阻.一般而言,运算放大器的开环增益大于A≫106,则输入阻抗Rni≈0.一方面可提高硅光电二极管测量的线性,另一方面因光电二极管工作区域接近短路状态,电路可获得最小噪声系数.由图5可画出光电检测电路的噪声模型如图6所示,图中Is为光电二极管的光电流,Ins为光电二极管的散粒噪声电流,Rd为光电二极管的内阻,Ind为内阻产生的热噪声电流,Cd为光电二极管结电容,C0为电路的布线电容;Efn=(4ktΔfRf)12Efn=(4ktΔfRf)12为反馈电阻Rf所产生的热噪声电压,En、In分别为运算放大器的等效噪声电流和电压,ri为运算放大器的输入阻抗,Vi为放大器输入端信号电压值,En0为放大器等效输出噪声电压值,Ini为各噪声电源在放大器输入端产生的等效输入噪声电流值.根据图6可写出各噪声电源在输入端产生的等效噪声电流为I2ni=2qIsΔf+4kT(1Rd+1Rf)Δf+I2n+E2nΔf(1Rd+1Rf)2(14)Ιni2=2qΙsΔf+4kΤ(1Rd+1Rf)Δf+Ιn2+En2Δf(1Rd+1Rf)2(14)则光电检测电路信噪比S/N=IsIni=Is/[2qIs+4kT(1Rd+1Rf)+I2n+E2n(1Rd+1Rf)2]12⋅Δf−−−√(15)S/Ν=ΙsΙni=Ιs/[2qΙs+4kΤ(1Rd+1Rf)+Ιn2+En2(1Rd+1Rf)2]12⋅Δf(15)从(15)式可知,光电检测电路信噪比主要与以下几个方面的因素有关:首先是输入回路中光电二极管的内阻Rd和放大器的反馈电阻Rf,Rd的大小取决于二极管的选