硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究_付文羽
光电二极管的工作原理与应用实践
光电二极管的工作原理与应用实践光电二极管（Photodiode）是一种能够将光能转化为电能的半导体器件。
它的工作原理基于PN结的特性，利用光电效应将光能转化为电能，广泛应用于光通信、光传感、光谱分析等领域。
本文将从光电二极管的结构、原理和应用三个方面来介绍光电二极管的工作原理与实践应用。
一、光电二极管的结构光电二极管通常由PN结和金属外壳组成。
PN结是将P型半导体和N型半导体连接而成，有一定的电阻，光照射在PN结处，使得PN结的电阻值发生变化，产生光电流。
外壳则用来隔离环境光的影响，以及连接电路和调节光电二极管的参数。
二、光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理是基于光电效应。
光电效应是指光能量对物质的电子产生激发和运动的过程。
当某个物质受到光线照射后，它的电子将从低势能级跃迁到高势能级。
当光入射在PN结处时，由于PN结的导电特征，光电子将在PN结内产生电子空穴对，即光生载流子，并且在PN结内电场的作用下向各自极移动，在PN结的外电路上就会产生光电流。
三、光电二极管的应用实践光电二极管在光通信、光传感、光谱分析等领域有着广泛的应用。
其中，光通信是光电二极管的一个主要应用领域。
光通信是一种利用光作为信息传输的技术，而光电二极管则是光通信技术中最重要的组成部分之一。
在光通信系统中，光电二极管接受光信号并将其转化为电信号，从而完成信息的传输。
光电二极管在光传感的应用也很广泛。
光传感技术是指利用光学原理来检测物理、化学和生物量等参数的一种测量技术。
光电二极管可以用来检测光强度，颜色、时间及空间分布等参数，尤其适用于对微型、高灵敏度、高速度的检测系统。
光电二极管还广泛应用于生命科学中的光谱分析。
光谱分析是一种利用光零件的特性对样品进行分析的技术，且被广泛应用于生物分子的结构和功能研究中。
光电二极管作为光谱仪中的宽灵敏度检测器，可测量被样品溶液吸收的光强度，从而可以分析样品的成分和浓度。
总结光电二极管作为一种光电转换器件，可以将光能转化为电能，被广泛应用于光通信、光传感、光谱分析等领域。
硅光电二极管 电路
硅光电二极管电路硅光电二极管是一种常用的光电转换器件，具有广泛的应用领域。
本文将分享有关硅光电二极管的基本原理、工作原理、特性及其应用。
硅光电二极管是一种基于硅材料制备的光电转换器件。
硅材料具有良好的光电特性，因此能够将光信号转化为电信号，从而实现信息的检测和处理。
硅光电二极管通常由PN结构组成，其中P区富含正电荷，N区富含负电荷。
在工作原理方面，当光线照射到硅光电二极管的PN结上时，光子能量会激发硅材料中的电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。
这些电子-空穴对在电场的作用下会形成光生载流子，最终形成电流输出。
由于光子能量与光子频率成正比，因此硅光电二极管对特定波长的光线具有较高的灵敏度。
硅光电二极管具有多种特性，首先是宽波长响应范围。
由于硅材料对于不同波长的光线都有较高的吸收能力，硅光电二极管能够检测到从红外到紫外等广泛光谱范围内的光信号。
其次，硅光电二极管具有快速的响应速度。
由于硅材料具有较高的载流子迁移速度，硅光电二极管的响应速度较快，能够适应高速光信号的检测需求。
此外，硅光电二极管还具有较低的暗电流和噪声，从而提高了信号的检测精度。
硅光电二极管在众多领域具有重要的应用价值。
例如，光通信领域中，硅光电二极管常被用于接收和检测光信号，实现光信号的高速传输。
此外，在光电检测领域，硅光电二极管广泛应用于光谱分析、气体检测及光电子学等领域，实现对光信号的定量测量和分析。
此外，硅光电二极管还可以应用于生物医学领域，用于实现光疗、荧光检测及细胞成像等应用。
总之，硅光电二极管作为一种重要的光电转换器件，在各个领域都有广泛的应用。
其基本原理、工作原理、特性以及应用领域的介绍，将有助于我们更好地理解和应用硅光电二极管。
硅PIN光电二极管探测系统的研究
第28卷 第2期核电子学与探测技术Vol.28 No.22008年 3月Nuclear Electr onics &Detection T echnologyMar ch 2008硅PIN 光电二极管探测系统的研究张燕,曾光宇,洪志刚(中北大学,信息工程系,山西太原 030051)摘要:本文主要研究了基于PIN 光电二极管与CsI (T l)晶体的C 射线辐射探测器,给出了电流放大型和电压放大型的原理图以及制板图,并对其性能做了简单分析。
关键词:P IN 光电二极管CsI (Tl)晶体C 射线电荷灵敏前置放大器中图分类号: T L8 文献标识码: A 文章编号: 025820934(2008)022*******收稿日期:2006206209作者简介:张燕,女,(1981.4)),山西运城人,中北大学信息与通信学院(信息工程系)2004级在读硕士研究生,研究专业:信号与信息处理随着原子核科学的发展,越来越需要对核辐射和原子核所携带的信息进行测量和分析研究。
通常,人们采用各种核辐射探测器来接收和传递信息,并把它转换成电信号,进而用计算机来处理和研究这些信号。
虽然近年来,核辐射探测器的发展种类较多,但就小型化的个人剂量仪器来说,目前国内的研究和开发相对滞后,在核电站、核矿山等辐射环境下采用的个人剂量仪器许多是于国外进口。
本文主要对采用CsI 闪烁晶体和PIN 硅光电二极管耦合作为C 射线的接收探头的技术进行研究,并论证该技术的可行性,为日后的小型化核辐射探测系统的研究做准备。
1 PIN 光电二极管探测器的结构111 探测系统核信息测量系统通常由核辐射探测器和核电子学测量系统两部分组成。
我们拟采用的测量系统如图1所示,其虚线框(1)为闪烁体和光电二极管耦合组成的核辐射探测器,用于接收13755Cs 放射源发出的C 射线,闪烁体采用CsI(T l)晶体将C 射线激发产生的荧光传递给光电二极管(S3590型),从而完成高能量的C 光子转变为可为光电二极管接受的低能量的荧光(可见光),完成光电能的转换,向后级电路输出相应的电子信号;虚线框(2)为核电子学测量系统,一般的电子学测量系统包括模拟信号获取或处理,模数变换以及数据量的获取和处理等三部分,由于本课题研究的重点为前置放大器,因此我们对此做了相应的简化,前置放大器主要将光电二极管的电压(或电流)信号加以放大,以满足信号传输的需要,以计算机为核心的处理系统是信号的主处理系统,对预放大后的信号进行分析和处理。
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:A0 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 dI 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 0I 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 0I Le 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 )12(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 )12(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 )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I 2n =(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )12(12)其信噪比为S /N =I p /I n =I p /(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )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.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 )10-1010-910-810-710-610-510-4I np (A )5.6×10-151.7×10-145.6×10-131.7×10-135.6×10-121.7×10-125.6×10-11I nd (A )2.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-15S /N1.8×1045.9×1041.8×1045.9×1041.8×1045.9×1041.8×104 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 )12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 +1R f2(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 2n1R d +1R f 212·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 CircuitFU 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。
光电二极管的物理特性和应用研究
光电二极管的物理特性和应用研究光电二极管是一个重要的光电转换器件，可以将光信号转化为电信号或电信号转化为光信号。
光电二极管中的电子通过光激发来转换为电荷，形成电流输出。
光电二极管具有高响应速度、高灵敏度、小体积和低功耗等特点，是现代通信和光电领域中不可或缺的元器件之一。
光电二极管有两种类型：正向偏置和反向偏置。
正向偏置光电二极管可以输出直流电流信号，而反向偏置光电二极管则可以输出脉冲电信号。
正向偏置光电二极管是信号检测和面板照明的常见元件，而反向偏置光电二极管则主要应用于高速通信、雷达和光电计算机等领域。
在实际应用过程中，光电二极管的物理特性对其性能和应用有着很大的影响。
首先，光电二极管的响应速度是其最重要的特性之一。
它取决于光电二极管的结构和材料特性，以及光辐照的强度、波长和时间特性等。
响应速度越快，光电转换的效率越高，适用范围也就越广。
其次，光电二极管的灵敏度是另一个十分重要的特性。
它指的是单位光功率引起的单位电流输出。
灵敏度越高，表示光电转换的效率越高，对于光照弱的场合有着更好的应用价值。
因此，研究光电二极管的灵敏度特性对其性能优化和推广应用具有很大的意义。
除了物理特性之外，光电二极管的应用领域也非常广泛。
一般来说，光电二极管被广泛应用于通信、光信号检测、面板照明、安全监控和能源异构系统等领域。
例如，在通信应用中，光电二极管可以使用在调制解调器、激光器和接收器中。
此外，在单光子计数和霍尔效应测量中，也需要使用光电二极管。
在面板照明领域，光电二极管可以应用于暗场实验与调试、背光源、环境照明和光学检测中。
其中，背光源技术已经成为了当前液晶显示技术的主流之一。
光电二极管可以把电能转换为光能，为LCD平板显示设备提供高效节能的背光源。
在安全监控领域，光电二极管可以应用于白天和夜间视频监控，以及基于红外光的夜视和人脸识别。
由于光电二极管对红外辐射很敏感，因此常用于夜视和红外探测。
总体来说，光电二极管是一种功能强大的光电转换器件。
光电二极管的工作原理与应用分析
光电二极管的工作原理与应用分析光电二极管是一种电子器件，利用光的电磁辐射能够引发电流的产生和控制。
它常被应用于光通信、光电探测、光电测量等领域。
本文将从工作原理和应用分析两个方面来介绍光电二极管。
光电二极管的工作原理是基于内部PN结构的特性。
PN结由P型半导体和N型半导体组成，形成电子和空穴的边界区域，在正向偏置的情况下，P区域中的空穴和N区域中的电子重新组合，产生电流；而在反向偏置下，电子和空穴重新结合，电流几乎为零。
光电二极管的应用十分广泛。
首先，它常被用于光通信领域。
在光纤通信中，光信号需要转换成电信号进行传输和处理，光电二极管就是这一转换的关键器件。
光信号通过光纤传输到二极管表面后，光子的能量激发了半导体中的电子，使其跃迁至导电带，产生电流。
通过控制电流的强弱，就可以实现对光信号的探测和解码。
另外，光电二极管还被广泛应用于光电探测领域。
以传感器为例，当感光元件受到外界光线照射时，光能被转化成电能，从而产生光电流。
这个光电流的大小与光强成正比，通过对光电流进行测量和分析，就可以获得与环境光照强度相关的信息。
因此，光电二极管在光强测量、光敏控制等方面有重要的应用价值。
光电二极管还常被用于光电测量。
以光谱仪为例，它是一种利用光电二极管测量光谱的仪器，可以定量地测量光的波长和强度。
当光通过棱镜或光栅时，不同波长的光会根据其色散性质被分散成不同方向上的光点，然后通过光电二极管转化为电信号，并通过数字信号处理器进行分析和处理。
通过这种方式，可以通过光电二极管对光谱进行高精度的测量和分析。
除此之外，光电二极管在日常生活中也有一些应用。
现如今，手机、平板电脑等移动设备中的光线传感器，就是利用光电二极管来测量环境光照强度，并自动调节屏幕亮度的。
此外，光电二极管也可应用于消费类电子产品中的遥控器、光电开关等设备中，以实现远程控制和开关的功能。
综上所述，光电二极管作为一种常见的光电器件，其工作原理和应用十分重要和广泛。
微弱光强信号采样电路设计
微弱光强信号采样电路设计余明;陈锋;李抄;吴太虎【摘要】微弱光信号检测电路应用在许多精密测量仪器中.针对微弱光强信号放大采样问题,分析了传统光电检测电路存在的不足,采用S2387系列光电二极管,结合多级放大电路与T型反馈电阻网络,设计了一种放大倍率可编程的微弱光强信号采样电路.基于对实验数据的分析,通过对前后级放大倍数的合理分配,该电路兼顾了提高响应速度与降低噪声的要求,简洁可靠,适合于光强和波长变化范围大的微弱荧光、散射光和反射光检测.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2014(036)003【总页数】5页(P253-257)【关键词】微弱光信号;T型反馈电阻网络;多级放大电路;可编程放大倍率【作者】余明;陈锋;李抄;吴太虎【作者单位】中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161;中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161;中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161;中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161【正文语种】中文【中图分类】TH89引言目前光电检测电路已被应用到许多领域。
在光电系统中，光电检测电路把接收到的光信号转换成电信号，并对电信号进行放大，再与后面的检测和运算系统对接。
光电检测电路在整个光电系统中是非常重要的，它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏［1］。
现结合光电二极管、集成运算放大器构成的二级放大电路、T型网络、滤波器和高精度A／D转换芯片，设计一种通用的高放大倍率、高精度、低噪声的微弱光强信号采样电路。
1 二级放大电路在荧光、散射光和微弱的反射光检测中，光信号比较微弱，一般为1～10nW。
本设计采用的光电二极管为日本滨松生产的S2387系列66R型，该型号光电二极管拥有高线性、高灵敏度和小的暗电流，可用于320～1 100nm波长的微弱光强信号检测。
该型号光电二极管响应率约为0.1～0.58A／W，等效噪声功率为W的光强变化即可引起有效的光电流变化［2］，由此可知，该型号光电二极管可以满足测量要求。
探究光电二极管的工作原理和应用
探究光电二极管的工作原理和应用光电二极管是一种光敏元件，它可以将光信号转化成电信号，常用于光电检测、光电传感、光通信等领域。
本文将探究光电二极管的工作原理和应用。
一、光电二极管的结构和工作原理光电二极管由P型半导体和N型半导体构成，两种半导体之间的接触面上布满了杂质原子，形成了一个PN结。
当左端的P型半导体上加正向电压时，右端的N型半导体上加反向电压，这时PN结上的空穴和电子被强烈吸引，它们在PN结的交界处发生复合，释放出能量。
这种能量在不同种类的光子作用下，产生电流，从而完成将光信号转化成电信号的功能。
二、光电二极管的特性及优缺点光电二极管具有光敏度高、响应速度快、耐热性好、抗干扰能力强等优点。
它可以检测光波长范围广，从紫外线到红外线均可测量。
同时，光电二极管还具有响应时间短、动态范围宽、线性度高等特性，因此在光电领域中具有广泛的应用。
不过光电二极管也存在一些缺点，比如输出电流较小、电流噪声较大等。
此外，在暗环境下，光电二极管也会受到外界热电子影响，产生一定的背景电流。
三、光电二极管的应用范围1. 光电检测和测量：光电二极管可以用于测量光线的强度和光谱，同时还可以进行光电定标、光电控制、光源亮度测量等，广泛应用于科研领域、工业领域和民生领域。
2. 光电传感：光电二极管可以用于测量物体的距离、形状、位置等信息，被广泛应用于机器人、智能家居、无人驾驶等领域。
3. 光通信：光电二极管可以将光信号转化为电信号，因此在光通信领域中具有重要的应用。
它可以用于高速光通信、光纤通信、室外光空间通信等。
4. 光电安防：光电二极管可以用于安防监控、夜视仪、红外探测器等，提高了安防设备的检测能力。
总之，光电二极管在现代光电领域中具有广泛的应用，它可以将光信号转化为电信号，在光电检测、光电传感、光通信等方面发挥着重要作用。
尽管光电二极管还存在一些局限性，但随着科学技术的不断发展，相信它将会在更多领域得到应用。
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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:A0 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 dI 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 0I 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 0I Le 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 )12(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 )12(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 )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I 2n =(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )12(12)其信噪比为S /N =I p /I n =I p /(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )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.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 )10-1010-910-810-710-610-510-4I np (A )5.6×10-151.7×10-145.6×10-131.7×10-135.6×10-121.7×10-125.6×10-11I nd (A )2.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-15S /N1.8×1045.9×1041.8×1045.9×1041.8×1045.9×1041.8×104 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 )12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 +1R f2(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 2n1R d +1R f 212·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 CircuitFU 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。