硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究_付文羽

第20卷　第5期 许昌师专学报 Vol.20.No.5　2001年9月 JOURNAL OF XUCHANG TE AC HERS C OLLE GE Sep.,2001

文章编号:1000-9949-(2001)05-0019-04

硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究

付文羽,彭世林

(庆阳师范高等专科学校物理系,甘肃西峰745000)

摘　要:分析了光电检测时硅光电二极管线性响应及噪声特性,给出了硅光电二极管的线性

度及信噪比公式,并结合噪声E n—I n模型[1],对光电二极管用于光电检测时影响电路信噪比的

因素进行了探讨.

关键词:光电检测;信噪比;噪声模型

中图分类号:TN710.2 文献标识码:A

0　引言

硅光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中,尤其在激光通讯测量中,通常要测量微瓦以下的光信号,就更离不开硅光电二极管.质量好的硅光二极管用于激光功率测量时,测量下限可达10-8W,分辨率可达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、放大.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及信号检测的灵敏度就成为人们所关心的问题.

1　硅光电二极管的基本结构及等效电路

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I s为电流源,它是硅光电二极管接收辐射后所产生的光电流I p和暗电流I d以及噪声电流I n之和,即:

图1　平面扩散型PN结光电二极管结构图图2　硅光电二极管等效电路

收稿日期:2001-03-19

作者简介:付文羽(1963-),男,甘肃宁县人,庆阳师专物理系讲师,工程硕士,主要从事光电检测与传感技术应用研究.

　20许昌师专学报2001年9月　

I s =I p +I d +I n

(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[2]

,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

I s ≈I p

(2)

R s 是串联电阻,由接触电阻、未耗尽层材料的体电阻所组成,C d 是结电容,R s 、C d 的大小同管子尺寸、结构和偏压有关,偏压越大,R s 、C d 越小,R d 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,R d 越大.温度越高,R d 越小.D 为PN 结等效二极管,R L 为负载电阻,C L 为负载电容.

2　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C d 、C L 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

I d =I 0e qU d /A kT =I 0e q U d /A V T -1

(3)

(3)式中I 0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,U d 是加在硅光电二极管上

的电压,常数A 对于硅材料而言[3],A ≈2,V T =kT /2,流过负载上的电流I L 为

I L =I p -I d -I Rd =I p -I 0e I L (R S +R L )/AV T -1-U d R d =I p -I 0e I L (R s +R L )/A V T

-1-I L (R s +R L )R d

(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R s R L ,则(4)式变为

I L =I p -I 0e I L R L /AV T -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I s R L A V T ,可得到I L ≈I p ,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R f 大、R s 小、I 0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 =(I p -I L )/I L ,将(5)式代入得

P =I p -I L I L =

I p -(I p -I d -I Rd )

I L

=I d +I Rd I L =I 0e I L (R s +R L )/AV T

-1+(R s +R L )·I L /R d I L =I 0e U d /AV T -1+U d /R d

I L

(6)

由(6)式可以定性看出R s 越小,R d 越大,I 0越小时,线性P 值越小,即线性好.在负载短路状态下,R L =0,

一般R S R d ,故(6)式可简化为

图3　2CU GS 型硅光电二极管短路状态下线性偏差I L —P 曲线

P =I 0

I L

=e I L ·R s /AV T -1

(7)

由(7)式可见:只要I 0和R s 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I 0=2.1nA ,串联电阻R s =10Ψ,常数A =2,在常温下计算得1/AV T ≈20(1/V ).带入(7)式可得不同输出短路电流情况下的I L —P 曲线.如图3所示.由图3可见其线性很好,但输出电流I L 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(R L +R s ) R d 的情况下,(6)式化简为

P =I 0I L e U /AV T =I 0

I L

e I L R s /A V T -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I L 不为零时,随着R L 的增大P 值增大,线性变坏.若取R =100Ψ,1k Ψ,则在其它条件不变的情况下所得的I L —P 曲线如图4所示

图4　不同R L 值时2CUGS 型硅光电二极管线性偏差I L —P 曲线

3　硅光电二极管噪声特性分析

3.1　散粒噪声

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,I s ≈I p 为通过PN 结的电流,q 为电子电荷,则散粒噪声I np 的数值可表示为

I np =(2qI p Δf )

1

2(9)

3.2　热噪声

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

V d =(4kTR d Δf )

1

2(10)

式中k 为玻尔兹曼常数,T 为绝对温度,R d 是硅光电二极管的内阻,所产生的热噪声电流值为

I nd =(4kTR d Δf /R d )

1

2(11)

由(9)、(10)式可得硅光电二极管本身产生的总噪声电流为

I 2n =

(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )1

2(12)

其信噪比为

S /N =I p /I n =I p /(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )

1

2(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.

表1　2CUGS 型硅光电二极管噪声的理论计算值　(R d =10M Ψ,Δf =1MHz )

I p (A )

10-1010-9

10-8

10-7

10-6

10-5

10-4

I np (A )5.6×10-151.7×10-145.6×10-13

1.7×10-135.6×10-121.7×10-12

5.6×10-11I nd (A )2.35×10-15

2.35×10-15

2.35×10-15

2.35×10-15

2.35×10-15

2.35×10-15

2.35×10-15

S /N

1.8×10

4

5.9×10

4

1.8×104

5.9×104

1.8×104

5.9×1041.8×10

4

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　影响硅光电二极管输出电路信噪比的因素

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R in =R f /(1+A ),其中A 为运算放大器的开环增益,R f 为放大器的反馈电阻.一般而言,运算放大器的开

　22许昌师专学报2001年9月

　

图5　硅光电二极管运算放大器组合电路

图6　硅光电二极管组成的光电检测电路噪声模型

环增益大于A 106,则输入阻抗R ni ≈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[4]

.由图5可画出光电检测电路的噪声模型如图6所示,图中I s 为光电二极管的光电流,I ns 为光电二极管的散粒噪声电流,R d 为光电二极管的内阻,I nd 为内阻产生的热噪声电流,C d 为光电二极管结电容,C 0为电路的

布线电容;E fn =(4kt ΔfR f )

1

2为反馈电阻R f 所产生的热噪声电压,E n 、I n 分别为运算放大器的等效噪声电流

和电压,r i 为运算放大器的输入阻抗,V i 为放大器输入端信号电压值,E n 0为放大器等效输出噪声电压值,I ni 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

I 2ni

=2qI s Δf +4kT 1R d +1R f Δf +I 2n +E 2n Δf 1R d +1

R f

2

(14)

则光电检测电路信噪比

S /N =I s I ni =I s /2qI s +4kT 1R d +1R f

+I 2n +E 2n

1R d +1

R f 21

2

·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R d 和放大器的反馈电阻R f ,R d 的大小取决于二极管的选择,适当地提高反馈电阻R f 阻值,既有利于信

噪比的改善,也提高了电流、电压转换的转换系数.其次是集成运算放大器的等效输入噪声电流、电压及失调电压和失调电流的影响.等效输入噪声电流中产生的噪声电流是总噪声电流的主要部分.失调电压和失调电流,其值随温度漂移,虽然失调电压和失调电流在电路调整时能加以补偿,但是漂移的影响将在电路的输入端造成噪声.所以,选择失调电压和失调电流较低、噪声性能更优的集成运算放大器是至关重要的.

参　考　文　献

[1]　张广发.电路噪声计算与测量(上、下册)[M ].长沙:国防科技大学出版社,1994.

[2]　郭正强,等.有关光电二极管用作激光功率测量中几个问题的考虑[J ].激光与光学,1986,(1):8-10.[3]　梁万国,等.光电探测器的设计[J ].半导体光电,1998,(19):51-55.[4]　王正清,等.光电探测技术[M ].北京:电子工业出版社,1994.161.

责任编校:陈新华

Applied Research of Si -photodiodes in Photoelectric Detective Circuit

FU Wen -yu ,PENG Shi -lin

(Department of Physics ,Qingyang Teache rs College ,Xifeng 745000,China )

A bstract :The linear response and noise performance of Si -photodiodes are analyzed in photoeletric detection .And with a noise E n -I n model ,the factors are discussed which influence signal -noise ratio of photoelectric detective circuit for Si -photodiodes .

Key words :photoelectric detection ;signal -noise ratio ;noise -model

责任审校:黄怡俐