硅光电二极管的电流
硅二极管 电流
硅二极管电流
硅二极管是一种常见的电子元件，用于控制电流的流动。
它由硅材料制成，具有两个电极，分别是P型和N型。
当施加正向电压时，P 型电极变为正电荷，N型电极变为负电荷，形成正向偏置。
在这种情况下，电流可以自由地通过硅二极管流动。
硅二极管的电流特性是独特的。
在正向偏置下，电流呈指数增长，这是因为电子从N型区域向P型区域移动，而空穴则从P型区域向N型区域移动。
这种电流增长的速度取决于施加的电压和硅二极管的特性。
与之相反，当施加反向电压时，即逆向偏置时，硅二极管几乎不导电。
这是因为在逆向偏置时，P型区域变为负电荷，N型区域变为正电荷，形成电场阻止电流流动。
只有当逆向电压达到一定程度时，硅二极管才会出现击穿现象，形成逆向电流。
硅二极管的电流特性对于电子设备的设计和应用非常重要。
它可以作为整流器，将交流电转换为直流电。
同时，硅二极管还可以用作开关，控制电流的通断。
这使得硅二极管在电子电路中起到关键的作用。
总的来说，硅二极管的电流特性使其在电子领域具有广泛的应用。
通过合理的设计和使用，可以实现对电流的精确控制，从而满足各种电子设备的需求。
无论是在家庭电器还是计算机硬件中，硅二极
管都扮演着不可或缺的角色。
对于电子爱好者和从事电子工程的人来说，了解硅二极管的电流特性是非常重要的。
我们应该深入研究和理解硅二极管的原理和性能，以更好地利用它的优势，推动电子技术的发展。
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。
硅光电二极管
硅光电二极管硅光电二极管是当前普遍应用的半导体光电二极管。
下面我们谈谈2CU和2DU两种类型硅光电二极管的种类、构造以及应用上的一些问题。
种类与构造一、2CU型硅光电二极管：2CU型硅光电二极管是用N型硅单晶制作的，根据外形尺寸的大小它又可分2CU1，2CU2，2CU3等型号，其中2CU1与2CU2体积较大，2CU3稍小些（见图1（a））。
这种类型的光电二极管多用带透镜窗口的金属管壳封装，下端有正、负两个电极引线，它们分别与管心中的光敏面（P型层）和N型衬底相连。
光线从窗口射入后经透镜聚焦在管心上，由于这种聚光作用增强了光照强度，从而可以产生较大的光电流。
二、2DU型硅光电二极管：2DU型硅光电二极管是用P型硅单晶制作的，从外形上分有2DUA，2DUB等类型，其中2DUA型管子体积较小些（见图1（b））。
2DU型硅光电二极管目前多采用陶瓷树脂封装，入射光的窗口不带透镜。
这类管子引线共有三条，分别称作前极、后极、环极（见图1（b））。
前极即光敏区（N型区）的引线；后极为衬底（P型区）的引线；环极是为了减小光电管的暗电流和提高管子的稳定性而设计的另一电极。
光电管的暗电流是指光电二极管在无光照、最高工作电压下的反向漏电流。
我们要求暗电流越小越好，这样的管子性能稳定，同时对检测弱光的能力也越强。
为什么加了环极后就可以减小2DU型硅光电二极管的暗电流呢？这要从硅光电二极管的制造工艺谈起。
在制造硅光电二极管的管心时，将硅单晶片经过研磨抛光后在高温下先生长一层二氧化硅氧化层，然后利用光刻工艺在氧化层上刻出光敏面的窗口图形，利用扩散工艺在图形中扩散进去相应的杂质以形成P－N结。
然后再利用蒸发、压焊、烧结等工艺引出电极引线。
由于2DU型硅光电二极管是用P型硅单晶制造的，在高温生长氧化层的过程中，容易在氧化层下面的硅单晶表面形成一层薄薄的N型层，这一N型层与光敏面的N型层连在一起则使光电管在加上反向电压后产生很大的表面漏电流，因而使管子的暗电流变得很大。
四象限硅光电二极管 型号
四象限硅光电二极管型号1.引言1.1 概述概述部分的内容可以写成如下形式：引言部分是文章的开端，旨在引导读者了解并理解本文的主要内容和重要性。
本文将讨论的主题是四象限硅光电二极管的型号。
作为一种特殊类型的光电二极管，四象限硅光电二极管具有独特的性能和广泛的应用领域。
通过对硅光电二极管的基本原理和四象限硅光电二极管的特点进行详细介绍和分析，本文旨在为读者提供对该型号的全面了解。
在第一节引言的概述部分，将对硅光电二极管的基本原理进行简要介绍。
光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的器件，其基本工作原理是利用半导体材料中的光生电效应。
硅光电二极管是应用最为广泛的光电二极管之一，具有响应速度快、灵敏度高、频率范围广等优点。
这一部分将详细介绍硅光电二极管的基本原理，为后续对四象限硅光电二极管的特点进行理解和分析提供基础知识。
在第二节引言的概述部分，将对四象限硅光电二极管的特点进行简要介绍。
四象限硅光电二极管是一种相对较新的技术，它能够实现对光信号的同时测量和调制。
通过在硅光电二极管上引入交叉双极性PN结和光控现象,可以实现四象限工作状态，同时具有较高的光电响应和较低的噪声。
这一部分将详细介绍四象限硅光电二极管的特点，包括其工作原理、性能参数以及在光通信、光波导等领域的应用情况。
通过对硅光电二极管的基本原理和四象限硅光电二极管的特点进行综合分析和比较，读者将能够更加全面地了解四象限硅光电二极管并认识其在光电器件领域的重要性和广泛的应用前景。
在后续章节，我们将深入探讨硅光电二极管的基本原理和四象限硅光电二极管的特点，通过实验数据和理论分析，展示其性能优势和应用前景。
1.2文章结构文章结构部分的内容：本文主要包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分概述了本文要探讨的主题——四象限硅光电二极管的型号，并介绍了这种型号的重要性和应用领域。
引言还指出了本文的目的，即深入了解四象限硅光电二极管的基本原理和特点，并展望了未来的发展前景。
常用二极管及参数一览表
常用二极管及参数一览表1. 引言二极管（Diode）是一种重要的电子器件，用来控制电流的流向。
不同类型的二极管具有不同的特性和参数。
本文将介绍常用二极管及其主要参数，以便读者了解并选择适合自己需求的二极管。
2. 常见二极管类型及参数2.1 硅二极管- 正向电压降（VF）：硅二极管通常具有0.6V-0.7V的正向电压降。
- 最大反向电压（VR）：硅二极管最大允许的反向电压取决于具体型号，一般在50V-1000V之间。
- 最大连续电流（IF）：硅二极管的最大连续电流也取决于型号，一般在100mA-10A之间。
2.2 锗二极管- 正向电压降（VF）：锗二极管通常具有0.2V-0.3V的正向电压降，较低于硅二极管。
- 最大反向电压（VR）：锗二极管的最大允许反向电压一般在20V左右。
- 最大连续电流（IF）：锗二极管的最大连续电流一般在100mA以下。
2.3 快恢复二极管- 正向电压降（VF）：快恢复二极管通常具有1V-2V的正向电压降。
- 最大反向电压（VR）：快恢复二极管的最大允许反向电压一般在100V以上。
- 最大连续电流（IF）：快恢复二极管的最大连续电流一般在1A以上。
2.4 肖特基二极管- 正向电压降（VF）：肖特基二极管通常具有0.2V-0.4V的正向电压降。
- 最大反向电压（VR）：肖特基二极管的最大允许反向电压一般在50V-200V左右。
- 最大连续电流（IF）：肖特基二极管的最大连续电流一般在1A以上。
2.5 光电二极管- 最大光敏电流（IL）：光电二极管的最大光敏电流取决于具体型号，一般在1mA-10mA之间。
- 最大耐压（PD）：光电二极管的最大耐压一般在20V-100V之间。
3. 使用注意事项- 根据电路设计需求，选择适当类型的二极管。
- 注意二极管的最大允许电流和反向电压，避免超过其额定值。
- 在连接二极管时，正确区分正负极，以免逆相连接导致性能下降。
- 使用光电二极管时，避免过高的光照强度，以免损坏器件。
3-4-3光电二极管
1. 工作原理
光电三极管的工作原理分为两个过程： 一是光电转换；二是光电流放大。 集电极输出的电流为：
I C = βI P
光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的β倍。
2. 光电三极管特性 1）伏安特性
光电三极管在偏置电压为零时，无 论光照度有多强，集电极电流都为 零。偏置电压要保证光电三极管的 发射结处于正向偏置，而集电结处 于反向偏置。随着偏置电压的增高 伏安特性曲线趋于平坦。 光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光 电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益β，并且，β值 随光电流的增大而增大。
实验发现，在略低于击穿电压时，发生雪崩倍 增现象，M随反向偏压U的变化可用经验公式 近似表示：
1 M= 1 − (U/U BR ) n
3.噪声
由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的， 碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电 二极管要大些。 雪崩光电二极管的噪声可近似由下式计算：
图（c）所示为光电二极管的电路符号
2、光电二极管的电流方程
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二 极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样。其 电流方程为：
qU kT I = I0 e − 1射作用到光电二极管上时， 光电二极管的全电流方程为 ：
光电二极管的光谱响应定义：以等功率的不同单色 辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波 长的关系称为其光谱响应。
4. 时间响应
PN结硅光电二极管的电流产生要经过三个过程： 1) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间， 称为漂移时间记为τdr ； 2) 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所 需要的时间，称为扩散时间记为τp； 3) 由PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成 的RC延迟时间τRC 。
光电探测技术与应用第4章课后习题与答案
最大输出功率 Pm U m I m 340.8 56 10 3 19.08mW 转换效率 m
Pm Pm 19.08 9.54% E S 200 1
7 已知光电三极管变换电路及其伏安特性曲线如图 3-45 所示。若光敏面上的照 度变化 e 120 80sin wt (lx) ，为使光电三极管的集电极输出电压为不小于 4V 的 正弦信号， 求所需要的负载电阻 RL 、 电源电压 U bb 及该电路的电流、 电压灵敏度， 并画出三极管输出电压的波形。
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
而 ID
I e
qU oc kT
1 e
6 10 3
1.61019 550103 1.3810 23300
3.529 10 12 A 3.529 10 9 mA 1
则 I D 相对于 I 非常小，
U oc1 U oc
I 1 I D KT ln q I I D
解：由题意，当 T=300K， E e U oc 550mV , I SC 28mA ，则由
U oc
100mW / cm 2 时，
q kT I 以及 I sc I (1 e d ) e , ln 1 hv q ID
E e1 200 I sc 28 56mA Ee 100
，
E e1 50mW / cm 2时
U oc1 U oc
I sc1 I 1
Ee1 50 I sc 6 3mA Ee 100
KT1 I1 KT I 1 1 In I q I 又 T1 T q I D D
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缺点：成本高，体积大，重量大，需要一个能提
供数百伏偏置电压的电压源。
7.3 Semiconductor Photodiode 半导体光电二极管
半导体光电二极管体积小，重量轻，灵敏度 高，响应速度快，在几伏的偏置电压下即可 工作。 PN型光电二极管 PIN型光电二极管
雪崩型（APD）光电二极管
M
N
通过外电路的电流为：
MeP i hf
例7.4，假定一个光电倍增管有9个倍增电极 ，每个倍增电极的增益为5，计算此光电倍 增管的电流放大倍数。
M 1.9610
N
6
例7.5，假设一个PMT有例7.4所得的增益， 先用来检测光功率为1uW，波长为0.8um的 光信号，阴极的效率为1%，负载为50欧。 计算其响应度、电流和输出电压。
光纤通信第七章
Light Detector 光检测器
驱动电路 调制器 光源
中继器 光纤
光电二极 管
光纤
放大器
判决器
光接收机 光接收机是光纤通信系统的重要组成部 分，其作用是将光信号转换回电信号， 恢复光载波所携带的原信号。
光信号 光电 变换
前置 放大
主放 大器
均衡 滤波
判 决 器
输出
AGC电路 前端 性能指标:接收灵敏度、 误码率或信噪比 线性通道
i
i
eP eP
hf hc
CP
检测电流正 比于光功率
ePR 在光电二极管的应用中， 100 个光子会产生 30 L 到95个电 U PR L 子－空穴对，因此检测器的量子效率范围为 30%~95%。 P hf hc
hf
e e
例7.2，假定检测器在0.8um波段的量子效率 为1%，试计算其响应度。 i e 0.0064 A / W 6.4mA / W P hc 例7.3，根据7.2结果，计算当检测器接收的 光功率为1uW时，一个50欧负载电阻两端的 电压。
1．Responsivity 响应度 光检测器的主要性能指标
光检测器的输出电流与入射光功率之比称为响应度 。
IP Pin
单位：安培每瓦/伏特每瓦
2. Spectral Response 光谱响应
检测器响应度和波长之间的函数关系。
3. Rise Time 上升时间tr
在入射光功率呈阶跃变化的条件下，检测器的 输出电流从最大值的10%上升到90%所用时间。
i e 0.0064 A / W P hc
M 1.9510 0.0064 12.5kA / W
6
iM 12.5 10 10 12.5mA
3
6
U M 12.5 10 50 625mV
3
Photomultiplier
光电倍增管产生内部增益(Internal Gain)，可以 在不显著降低信噪比的情况下放大信号，而放大 器的外部增益（External Gain）一般会引入噪声 ，降低信噪比。 光电倍增管响应速度很快，不到1ns。
时钟恢复 时钟提取与数据再生 （CDR）
对信号进行高增益放大与整形， 提高信噪比，减少误码率。
前 言
发射机发射的光信号经光纤传输后，不仅幅度 衰减了，而且脉冲波形也展宽了。 光接收机的作用就是检测经过传输后的微弱光 信号，并放大、整形、再生成原输入信号。 它的主要器件是利用光电效应把光信号转变为 电信号的光电检测器。 对光电检测器的要求是灵敏度高、响应快、噪 声小、成本低和可靠性高，并且它的光敏面应 与光纤芯径匹配。 用半导体材料制成的光电检测器正好满足这些 要求。
Chapter 7 Light Detector
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 光检测原理 光电倍增管 半导体光电二极管 PIN型光电二极管 雪崩光电二极管 光接收机
Light Detector
7.1 Principles of Photodetection 光探测原理
External Photoelectric Effect(外部光电效应)： 金属表面通过吸收入射光子流的能量从而释 放电子，形成光生电流——真空光电二极管 和光电倍增管 Internal Photoelectric Effect(内部光电效应)： 半导体结型器件通过吸收入射光子产生自由 电荷载流子（电子和空穴）——pn结光电二 极管，PIN结光电二极管，雪崩光电二极管
输入功率波形
检测器输出的Βιβλιοθήκη 流波形7.2 Photomultiplier 光电倍增管
入射光子 阴极 发射电子 阳极
Vacuum photodiode真空光电二极管
Vacuum photodiode
单个电子从阴极逃逸需要一个最低的能量值，称为功函数 (Work Function)，入射光子的能量必须大于此值才能产生 光致电子发射。
i P 6.4nA
U iR 320 nV
Photomultiplier （PMT）
入射光子 阴极 倍增电极 阳极
二次发射 电子
Photomultiplier
每个倍增电极的增益(Gain)指每个入射电子所 产生的二次发射电子数的平均值。通常在2~6之 间。 假设每个倍增电极的增益为δ，总的增益为：
hf
光子能量hf大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否 则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一 种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength )C：
1.24 C (eV )
hc
光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测 器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超 过功函数，能被检测到。
例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其 功函数为1.9eV,计算其截止波长。
1.24 0.65 m 1.9
光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。
Quantum Efficiency 量子效率
量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它 定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之 比，即 发射电子数 发射电子数 入射光子数 P hf