硅光电二极管的参数选择

硅光电二极管的参数选择

1光电检测电路为小噪声电仪wds由于它具有快速响应性、高灵敏性、稳定性能、线性好、噪声低等优点，硅光明检测器广泛应用于电子显微镜电路。质量好的硅光二极管用于激光功率测量时,测量下限可达1×10-8W,分辨率可达1×10-12W。在许多场合,光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号,其特点是单一频率或包含着丰富的频率分量的交变信号,当信号很微弱时,由于背景噪声和电路热噪声的影响,还需要对信号进行低噪声处理。因此,在交变光电信号作用下,怎样正确选择硅光电二极管的参数,以获得最小非线性失真信号,提高信号检测的灵敏度就成为人们所关心的问题。2硅光电势状态电极材料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pn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辐射过程相逆。pn型硅光电二极管是最基本和应用最广的,它是在n型硅单晶片的上表面扩散p型杂质,形成p+型扩散层,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pin型硅光电二极管,其结构与pn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,适合于反向偏压下工作。硅光电二极管的等效电路如图1所示,图中Is为电流源,它是硅光电二极管接受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)质量好的光电二极管,其噪声电流很小,可以忽略。暗电流是温度的函数,在室温下,温度每增高1倍,暗电流将提高10倍。暗电流引起的噪声将影响到硅光电二极管的探测灵敏度。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;结面积越大,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。图1中,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的大小同器件尺寸、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,由耗尽层电阻和漏电阻所构成。它也随温度的变化而变化,与器件尺寸有关。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。3硅光电势不等时输出短路电流的修正在光电检测电路中当检测信号是缓变信号时,电容Cd、CL的影响可忽略不计。由图1可知,通过等效二极管D的电流为Id=I0(eqUd/AkT−1)=I0(eUd/AVT−1)(2)式中:I0是光电二极管的反向饱和电流,q是电子电量,k是玻尔兹曼常数,Ud是加在硅光电二极管上的电压,对于硅材料,常数A≈2,VT=kT/q,流过负载上的电流IL为IL=Ip−IRd−Id=Ip−I0[eIL(RS+RL)/AVT−1]−UdRd=Ip−I0[eIL(RS+RL)/AVT−1]−IL(RS+RL)Rd(3)由式(3)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,在输出短路的情况下,由于Rs≪Rd,则式(3)变为IL=Ip−I0(eILRS/AVT−1)(4)如果二极管的反向饱和电流很小,而输出电流不大,即保持ILRs≪AVT,可得到IL≈Ip,即输出电流近似等于光电流,也就是线性较好。因此为提高线性度,应选取Rd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P=(Ip-IL)/IL,将式(3)代入得P=Ip−ILIL=Ip−(Ip−Id−IRd)IL=Id+IRdIL=I0(eUd/AVT−1)+Ud/RdIL=I0(eIL(Rs+RL)/AVT−1)+(Rs+RL)IL/RdIL(5)由式(5)可以定性看出,光电二极管的Rs越小,Rd越大,I0越小时,线性P值越小,即线性较好。在负载短路状态下RL=0,一般Rs≪Rd,故式(5)可化简为P=I0IL(eILRs/AVT−1)(6)由上式可见,只要I0和Rs值很小,则线性偏差值很小,即线性好。以2CUGS型硅光电二极管为例,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,光电流的单位取安培,带入上式可算出在不同输出短路电流情况下的P-IL曲线如图2所示。由图2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,又考虑到(RL+Rs)≪Rd的情况下式(5)化简为P=I0IL(eUd/AVT−1)=I0IL(eIL(Rs+RL)/AVT−1)(7)由式(7)可得,在RL不为零时,随着RL的增大P值增大,线性变坏。分别取RL=100Ω,1kΩ,则在其他条件不变的情况下所得的P-IL曲线如图3所示。4韩光诚的噪声特性分析4.1变化引起的噪声散粒噪声是由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可表示为Inp=(2qIpΔf)1/2(8)4.2硅光电电极的噪声特性热噪声是由自由电子在电阻材料中随机运动所产生的,可表示为Vd=(4kTRdΔf)1/2(9)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为Ind=(4kTΔf/Rd)1/2(10)由式(8)、(10)可得硅光电二极管本身产生的总噪声电流为In=(I2np+I2nd)1/2=(2qIpΔf+4kTΔf/Rd)1/2(11)其信噪比为RS‚N=Ip/In=Ip/(2qIpΔf+4kTΔf/Rd)1/2(12)由式(12)可见,对于内阻大的硅光电二极管,其噪声电流要小一些,因而其信噪比较高。信噪比体现了检测的灵敏度,信噪比越高,测量的精度就越高。4.3光电检测电路噪声用硅光电二极管组成的光电检测电路的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构成电流电压转换器的办法来满足这一要求,如图4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A≫1×106,则输入阻抗Rin≈0。这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4可画出光电检测电路的噪声模型如图5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,I2ns=2qIsΔf,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;E2nf=(4kTΔfRf)1/2为反馈电阻Rf所产生的热噪声电压,In、En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,En0为放大器等效输出噪声电压,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。根据图5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+I2nΔf+E2nΔf(1Rd+1Rf)2(13)则光电检测电路信噪比RS,N=IsIni=Is/[2qIsΔf+4kT(1Rd+1Rf)+I2n+E2n(1Rd+1Rf)2]1/2Δf−−−√(14)以集成运算放大器AD849、硅光电二极管2CUGS为例,硅光电二极管在无偏压方式下,电路参数Is=1×10-7A;Rd=10MΩ;Δf=106Hz;In=1.5pA;En=3.0nV。利用式(14)可作出光电检测电路信噪比与反馈电阻Rf的关系,如图6。结合实验分析可知,在Rf≪1×106Ω的范围内,随着反馈电阻Rf的增大,电路输出信噪比明显增大。5等效输入噪声从以上分析及实验对比可知,光电检测电路信噪比主要与以下几个方面的因素有关:首先是光电二极管的暗电流,检测电路若采用负偏压方式,光电二极管的结电容较小,频率响应特性较好,但暗电流较大,由此产生的热噪声加大。为此,在检测电路对噪声要求较高的情况下,应采用无偏压电路,以减小暗电流产生的热噪声。其次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的选择,Rd的大小取决于二极管的选择,适当地提高反馈电阻Rf阻值,既有利