硅光二极管光电检测电路的研究与设计_郑培超
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）是一种新型的光探测器，具有高灵敏度、低功耗、单光子可分辨能力和大动态范围等突出特点，被广泛应用于量子信息科学、医学影像、核物理学等领域。
本文对基于SiPM的量子信号探测技术进行了研究，并对其原理、结构、性能和应用进行了详细介绍。
SiPM是由一系列微小的单光子探测单元（Pixel）组成的矩阵结构。
每个Pixel由一个正压电阻器（Quenching Resistor）和一个二极管（Avalanche Photodiode，APD）组成。
当光子入射到APD上时，会产生光电效应，形成电子空洞对。
电子通过偏置电压的作用，在强电场下加速，引起二次击穿，从而产生电流脉冲。
Quenching Resistor起到了限制电流脉冲幅度和时间的作用，使APD恢复到工作状态。
整个SiPM结构类似于光电倍增管（Photomultiplier Tube，PMT），但SiPM的尺寸更小，可以实现高集成度的微小化。
SiPM具有多个特点使其在量子信号探测中具有优势。
SiPM具有高灵敏度，能够对微小的光信号进行探测。
SiPM具有单光子可分辨能力，可以将单个光子的事件与背景噪声相区分。
SiPM具有大动态范围，可以同时测量强光和弱光信号。
SiPM具有低功耗特性，适用于移动设备和便携式仪器的应用。
SiPM的性能主要包括增益、暗计数率、时间分辨率和能量分辨率等方面。
增益是指光电倍增管输出的光信号与输入的光信号之间的放大倍数，是衡量探测器灵敏度的重要参数。
暗计数率是指没有光输入时，光电倍增管输出的电荷脉冲数目，主要来源于热电子和电子对的运动激发。
时间分辨率是指测量系统在不同时间点上的分辨精度，是衡量探测器时间分辨能力的指标。
能量分辨率是指探测器在测量能量时能够分辨出不同能量的能力。
SiPM在量子信息科学中的应用主要包括量子通信、量子计算和量子隐形传态等方面。
一种基于硅光电二极管的荧光检测电路[发明专利]
![一种基于硅光电二极管的荧光检测电路[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f3b45f8c1ed9ad51f11df268.png)
专利名称：一种基于硅光电二极管的荧光检测电路专利类型：发明专利
发明人：何志杰
申请号：CN201610449675.3
申请日：20160621
公开号：CN107525787A
公开日：
20171229
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种基于硅光电二极管的荧光检测电路，适用于检测领域。
荧光检测电路采用的是
SST89E516RD单片机控制，由LED驱动电路、探头电路、高频补偿电路组成。
电路结构紧凑，占用体积较小，电路检测准确度较高，工作稳定，不易受外界环境影响，提高了工作效率，弥补了硅PD灵敏度不足的缺点。
申请人：何志杰
地址：110179 辽宁省沈阳市浑南新区临波路15号伊丽雅特湾9号楼
国籍：CN
更多信息请下载全文后查看。
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。
基于硅光电倍增管探测器的光共享探测系统及探测方法发明专利
基于硅光电倍增管探测器的光共享探测系统及探测方法技术领域本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于硅光电倍增管探测器的光共享探测系统及探测方法。
背景技术目前基于硅光电倍增管(Silicon Photomultiplier,SiPM)探测器件由于其良好的能量和时间分辨率以及磁兼容性能越来越多地应用在正电子发射计算机断层显像(Positron Emission Tomography，PET)系统中。
而对于高效率、高分辨的晶体阵列和SiPM阵列组成的PET探测器，为了降低SiPM阵列成本和读出电路的复杂程度，单个晶体单元的截面一般要远小于SiPM单元的面积，每一个SiPM单元中耦合多个晶体单元，为了对这些晶体单元进行清晰的区分，需要在晶体阵列和SiPM阵列之间放置导光片，使得部分光子可以扩散到邻近的SiPM单元。
而导光片需要做切割处理，通常最外的两条切割线为完全切割。
但是在晶体单元和SiPM单元间加导光片，由于外部介质导光片的引入，会导致探测器的探测效率，峰谷比和时间分辨率性能的下降，同时导光片采用切割方式，并且最外围切槽采用完全切割的方式，在探测器封装过程中，导光片极易发生断裂，影响探测器封装的良品率。
发明内容为了克服上述技术缺陷，本发明的目的在于提供一种基于硅光电倍增管探测器的光共享探测系统及探测方法，用于解决现有探测器在晶体阵列和SiPM阵列之间放置外部导光片，影响探测效率和封装良品率的问题。
本发明公开了一种基于硅光电倍增管探测器的光共享探测系统，包括仿真平台、前端电子学组件以及探测器，所述探测器包括：晶体组件，包括阵列分布的若干晶体单元，用于捕获光子并转化成低能可见光信号；硅光电倍增管组件，包括阵列分布的若干硅光电倍增管单元，用于将低能可见光信号转化成电信号；导光组件，设置在所述晶体组件和所述硅光电倍增管组件之间，用于使光子由所述晶体组件扩散到所述硅光电倍增管组件；所述导光组件包括：光学胶，用于填充在所述晶体组件和所述硅光电倍增管组件之间，使所述晶体组件和所述硅光电倍增管组件耦合；细丝，按照预设细丝分布的距离参数分布于所述光学胶上，且涂覆有反光涂层；所述仿真平台用于建立晶体位置最优下的物理模型，以根据所述晶体组件和所述硅光电倍增管组件的阵列信息生成光学胶厚度、细丝尺寸、细丝分布的距离参数；在探测时，采用晶体组件捕获高能光子并转化成的低能可见光信号，使光子部分从晶体单元通过所述导光组件扩散到相邻硅的光电倍增管单元上，通过所述硅光电倍增管单元转换为电信号；同步，采用前端电子学组件获取光子位置信息，并读取所述硅光电倍增管组件输出的电信号信息，其中，所述电信号信息包括电信号的时间信息和能量信息。
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究一、硅光电倍增管的工作原理硅光电倍增管是一种能够将光子能量转化为电子信号的器件，其工作原理类似于光电二极管。
当光子入射到硅光电倍增管中时，会激发硅内的电子，产生电子-空穴对。
通过内置的高电场，这些电子-空穴对会被加速并产生电荷级联效应，从而使得电子数成倍增加。
最终，经过增益放大和信号处理，就可以得到一个可以被测量的电子信号。
硅光电倍增管具有快速响应、高增益和低噪声的特点，非常适合用于量子信号探测。
二、基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究现状在量子通信、量子计算和量子传感等领域，对于量子信号的探测要求越来越高，因此基于硅光电倍增管的量子信号探测技术也在不断发展。
目前，国内外学者已经在这一领域取得了一系列的研究成果。
他们通过不断优化硅光电倍增管的结构和材料，提高了其探测灵敏度和分辨率，拓展了其应用范围，并在量子通信、量子计算和量子传感等方面取得了一些突破性的进展。
利用硅光电倍增管可以实现单光子探测，进而实现量子通信中的量子密钥分发和量子隐形传态等功能。
在量子计算和量子传感领域，基于硅光电倍增管的量子信号探测技术也可以用于实现量子比特的读取和控制，以及实现微弱量子信号的探测和测量。
结论基于硅光电倍增管的量子信号探测技术是量子科学中的重要组成部分，具有快速响应、高增益和低噪声的特点，在量子通信、量子计算和量子传感等领域具有广泛的应用前景。
当前，国内外科学家在这一领域已经取得了一系列的研究成果，对其进行了广泛的研究和探索。
未来，随着硅光电倍增管技术的不断完善和提高，基于硅光电倍增管的量子信号探测技术将会在量子科学领域发挥越来越重要的作用，为相关领域的发展和进步提供重要支撑。
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究随着量子技术的快速发展，量子通信、量子计算等领域逐渐成为研究热点。
量子通信技术中的量子信号探测是一个非常关键的环节，而基于硅光电倍增管的量子信号探测技术正是在这一领域里备受瞩目的一个新兴技术。
硅光电倍增管结合了硅光电子学和光电倍增管的优势，能够实现对微弱光信号的高效探测，对于量子通信技术的发展具有重要意义。
本文将对基于硅光电倍增管的量子信号探测技术进行深入研究，探讨其原理、应用以及未来发展方向。
硅光电倍增管是一种集成了硅光电子学和光电倍增管优势的新型探测器，其工作原理基于硅的光电效应和光电倍增效应。
在量子通信中，量子信号往往非常微弱，传统的光电探测器很难实现对这种微弱信号的高效探测，而硅光电倍增管的出现填补了这一技术空白。
硅光电倍增管的工作原理主要分为三个步骤：首先是光信号的吸收和光生载流子的产生，其次是载流子的扩散和分离，最后是载流子的放大和输出。
当微弱光信号照射在硅光电倍增管上时，硅材料中的原子会因为光的能量从基态跃迁到激发态，产生电子和空穴对。
随后，这些电子和空穴对会受到电场力的影响而分离，形成电荷分布。
通过电场的作用，电子和空穴将被加速并形成电流信号，经过放大电路放大后输出。
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术利用硅材料的优良光电特性和光电倍增管的增益特性，实现了对微弱光信号的高效探测，为量子通信技术的发展提供了重要支持。
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术已经在许多领域得到了广泛的应用，尤其是在量子通信、量子计算等领域。
由于其高灵敏度、宽波长响应范围和低噪声等优点，硅光电倍增管成为了量子信号探测的重要工具。
在量子通信领域，基于硅光电倍增管的量子信号探测技术被应用于量子密钥分发、量子隐形传态等关键环节中，实现了对量子信号的高效探测和传输，为量子通信系统的安全性和可靠性提供了保障。
在量子计算领域，硅光电倍增管可以实现对量子比特的有效读取和控制，为量子计算机的研究和应用提供了重要支持。
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究
基于硅光电倍增管的量子信号探测技术研究一、硅光电倍增管的工作原理硅光电倍增管是一种基于硅材料的光电探测器，其工作原理主要包括光电效应、光致电子发射、电子倍增和电子收集等过程。
当光子穿过硅材料时，会激发硅中的电子，使其跃迁到导带中形成自由载流子。
这些自由载流子在电场的作用下被加速并达到增益区，通过碰撞和电子发射的方式产生二次电子，从而实现电子的倍增。
最终，这些电子被收集到电极上形成电荷脉冲信号，进而实现对光子信号的探测和测量。
二、基于硅光电倍增管的量子信号探测技术特点1. 高灵敏度硅光电倍增管具有高增益、低暗电流和高量子效率等特点，可以实现对微弱量子信号的高灵敏度探测。
尤其是在量子通信领域，对单个光子的探测要求非常严苛，而硅光电倍增管正好满足了这一需求。
2. 快速响应硅光电倍增管具有快速的响应速度，通常在纳秒甚至皮秒级别。
这使得它在高速量子通信和量子计算中有着重要的应用价值，能够实现对高速量子信号的及时探测和处理。
3. 低噪声硅光电倍增管的噪声性能优良，可以实现对量子信号的高精度测量。
这对于量子通信和量子计算中的信息传输和处理至关重要，能够有效地提高系统的性能和可靠性。
4. 宽波长响应硅光电倍增管具有宽波长响应特性，可以实现对不同波长范围内的量子信号的全面探测。
这为其在光谱分析和光子计数等领域的应用提供了便利。
3. 量子传感基于硅光电倍增管的量子信号探测技术还可以应用于量子传感领域，实现对微小物理量的高灵敏度探测。
在光谱分析、原子力显微镜和光子计数器等领域有着广泛的应用前景。
四、基于硅光电倍增管的量子信号探测技术发展趋势1. 新型硅材料随着材料科学的不断发展，新型的硅材料将会不断涌现，为硅光电倍增管的性能提升提供新的可能。
在硅纳米颗粒和硅量子点材料等方面的研究将有望为硅光电倍增管的量子信号探测技术带来新的突破。
2. 多功能集成未来硅光电倍增管还将朝着多功能集成的方向发展，将其与光学元件、电子器件等结合起来，实现更为复杂的量子信号处理功能。
硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究
硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究发表时间：2017-03-09T11:12:19.920Z 来源：《电力设备》2017年第1期作者：杨劲[导读] 近年来，随着光电检测技术的发展及应用，该技术已经被广泛地应用于航天、医疗、环境科学、农业、工业以及军事等诸多领域。
（池州学院安徽池州 247100）摘要：近年来，随着光电检测技术的发展及应用，该技术已经被广泛地应用于航天、医疗、环境科学、农业、工业以及军事等诸多领域。
光电探测器件是光电检测技术的核心，其作用是实现光信号到光电流信号的转换，然后再转换为电信号。
为此，本文就光电检测电路中的硅光电二极管的应用进行简要地研究，首先介绍了硅光电二极管的基本结构，然后分析了电路特性，最后进一步研究了光电检测电路的设计与实现，希望能够对读者有所帮助。
关键词：光电检测电路；光电探测器；硅光电二极管引言硅光电二极管具有噪声低、线性好、灵敏度高、响应快等优点而被作为整个光电检测电路的核心器件。
然而，当所检测的光信号较为微弱的时候，往往需要外接光电放大电路，由于设计电路结构以及器件芯片选型的不同，受各种噪声叠加及电路中阻抗分流的影响，电路输出端的信噪比降低或线性响应度变差。
因此，对硅光电二极管在光电检测电路中的应用进行分析研究是非常重要的。
1.硅光电二极管的基本结构光电二极管能够将所吸收的光能转换为电能，属于一种光电转换的器件，与激光二极管的受辐射和发光二极管的自发辐射过程相逆，其中，PN型硅光电二极是目前应用最广和最基本的管子。
PN型硅光电二极管的基本结构包括有效面积区、引线、P+扩散区、PN结区、N+扩散区以及金属接触层几部分，其中光可以通过透明的P+区直接到达PN结区，产生光电子，N+扩散区的主要作用在于为金属电极提供良好的电接触。
此外，P—I—N型光电二极管也是当期常用的硅光电二极管，其更适用于反向偏压工作，结构与PN型硅光电二极管相类似，N层与P层间的耗尽层是由本征半导体构成的，其作用是提供一个较小的电容和较大的耗尽深度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
文从硅光二极管光电检测电路线性响应和噪声特性 2 个方面， 对微弱光电检测中电路结构形式和器件 芯片选择的相关要求做了详细分析， 并应用新 PIN 型硅光二极管型探测器件 DET36A 搭配低噪声、 高 增益的 ICL7650 芯片， 设计测试了一种结构简单、 输 出特性优良的光电检测电路， 且实验测试表明， 在搭 该检测电路可方便应 配一个凸透镜做聚光处理后， 用于微弱光检测工程环境。
［9 ］
。
图1 Fig． 1
硅光二极管等效检测电路结构
载尽量满足 R L = 0 才能保证检测电路输出端具有良 好的线性响应。因此， 根据运放电路正常工作时输 “虚短” 特性， 可将硅光二极管跨接于运放电路 入端 正反相输入端， 其检测电路原理图如图 2 所示。 图 2 中， R f 为反馈电阻； C f 为反馈电容， 并联在 R f 两 端， 可有效防止因 R f 过大而引起的检测电路自激，
Abstract： In order to meet the requirement of light signal detection with higher precision， the linear response and noise characteristics of photoelectric detection circuit using silicon photodiode was analyzed，and the basic requirements of the related devices selection and the form of circuit design was suggested． The silicon photodiode detector（ DET36A） and operational amplifier chip with low noise and high precision （ ICL7650 ） were used to design a simple photoelectric detection circuit for weak light environment． The experiment result shows that the circuit has the characteristics of low noise and good linear response with the weak light intensity in the ranger of 0． 1 ～ 10Lux． Key words： silicon photodiode； low noise； linearity； ICL7650
［8 ］
， 可将由硅光二极管探测器件组成的光电检测
I 为等 电路简化为如图 1 所示的等效模型。图 1 中， 效恒流源； D 为等效理想二极管结构； R d 是硅光电 二极管的分流电阻， 其值与硅光二极管尺寸大小有 R d 越大； 关， 且受温度影响， 温度越低， 结面积越小， C d 为硅光二极管结电容， 其值受所加偏压和结面积 C d 越小， R s 为其等效 偏压越大， 结面积越小， 影响， C L 分别 其值也与其偏压及结构有关； R L ， 串联电阻， 为后续检测电路等效负载电阻和等效负载电容
特性的基础上， 提出了对相关器件选型和电路设计形式的基本要求， 并 以 硅 光 二极 管 探 测 器 件 DET36A 及 低 噪声、 高精度运放芯片 ICL7650 为例设计测试了一种 可 方 便 嵌入 应 用于 微 弱 光 环境 下 的光电 检 测 电 路。 经 过 实 验 测 试 表明， 在 0． 1 ～ 10 Lux 低照度弱光照射下， 该电路具有较好的低噪声输出特性和良好的线性响应。 关键词： 硅光二极管; 低噪声; 线性; ICL7650 中图分类号： TN29 ； TM933 文献标识码： A 825X( 2013 ) 04048405 文章编号： 1673-
Equivalent detection circuit of silicon photodiode
当所加光信号为微弱低频光信号时， 经光电探 测器输出后， 光电流将变为几纳安到几微安之间的 微弱直流信号
［10 ］
， C L 的分流影响 所以， 图 1 中 Cd ，
可略去不计。 图 1 中流过等效理想硅二极管 D 及
DOI： 10． 3979 / j． issn． 1673825X． 2013． 04． 013
硅光二极管光电检测电路的研究与设计
郑培超， 于 斌， 刘克铭， 代 玉， 王金梅
（ 重庆邮电大学 光电工程学院 重庆高校光纤通信技术重点实验室 重庆 400065 ）
摘
要： 为了满足对较微弱光信号高精度的检测要求， 在 详细 分析了 硅 光 二极 管光电 检 测 电 路 的 线性 响 应及噪声
Vol． 25 No． 4 第 25 卷第 4 期 重庆邮电大学学报（ 自然科学版） 2013 年 8 月 Journal of Chongqing University of Posts and Telecommunications（ Natural Science Edition） Aug． 2013
0
引
言
硅光二极管探测器件因其具有响应快、 灵敏度 高、 线性好、 噪声低等优点而常被作为光电检测系统 中的核心器件
［3 ］
近年来， 以光电探测器件为核心的光电检测技 术已经被广泛地应用到军事、 工业、 农业、 环境科学、 医疗和航天等诸多领域
［1 ］
， 但若所测得光信号较微弱时， 常
需要外接光电放大电路， 而由于器件芯片选型及设 计电路结构的不同， 输出端电信号易受检测电路中 阻抗分流及各种噪声叠加影响， 常使光电检测电路 线性响应度变差或信噪比过低。 目前， 很多文献主 要从分析光电检测电路的噪声特性角度 ， 阐述了光 但对其线性响应的分析及 电检测电路的设计方法 ，
第4 期
郑培超， 等： 硅光二极管光电检测电路的研究与设计
［47 ］
· 485·
相关光信号实测结果未加详细说明
。 因此， 本
I rd 可表示为 并联电阻的电流 I d ， I d = I0［ e qU d / AkT － 1］ = I0［ e U d / AVT － 1 ］ （ 1 ） I rd = U d / R d = I L （ R s + R L ） / R d （ 2） （ 1 ） 式中： I0 为硅光二极管加偏压后的反向饱和电 流， 即无光照时的暗电流， 其值与硅光二极管自身结 结面积越小， 暗电流 I0 越小； q 为电子电 面积有关， 量； k 是玻尔兹曼常数； U d 为加在硅光二极管上的 电压； A 为一常数， 对于由硅材料制成的光电二极 ， 其值约等于 2 ； 而 V T = KT / q ≈0 ． 026 V， 则负 载上的电流 I L 可表示为 管 I L = I － I d － I rd = e I L（ R S +R L） / AVT － 1］ － I － I0［ IL （ Rs + RL ） / Rd （ 3） 由（ 3 ） 式可知， 流过负载上的电流 I L 受硅光二 极管结构分流及自身阻值影响， 在硅光二极管受光 辐射后， 其检测电路输出电流不能较好地满足与入 ， 射光强的线性关系， 但若取 R L = 0 ， 则（ 3 ） 式变为 I L = I － I0 （ e I LR s / AVT － 1 ） － I L R s / R d （ 4） 可见， 若选择暗电流 I0 极小、 串联等效电阻 R s R d 较大的硅光二极管， 较小、 由于其结面积较小， 使 这 其输出光电流 I L 大小一般只在几十到几百纳安， 因此， 可获 将基本可以保证 I L R s AV T 及 I L R s R d ， 得 I L = I， 即使得检测电路输出电流近似为经理想线 性转换的等效光电流。 因此， 为了提高硅光二极管检测电路输出端线 性度， 则需满足： 1 ） 接在硅光二极管端负载 R L = 0 ； 2 ） 选择的硅光二极管要尽量满足暗电流 I0 极 小、 并联分流电阻 R d 较大、 串联电阻 R s 较小的条 件。 1． 2 噪声特性分析 为了尽可能检测出混杂在检测电路噪声中的微 其电路噪声特性分析必不可少。 通 弱光电流信号， 过对硅光二极管检测电路线性等效模型分析可知 ， 在由硅光二极管探测器件接受光通量信号并将其转 换为电信号输出过程中， 要求硅光二极管输出端负
Design of silicon photodiode photoelectric detection circuit
ZHENG Peichao，YU Bin，LIU Keming，DAI Yu，WANG Jinmei
（ College of Optoelectronic Engineering， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Key Laboratory of Optical Fiber Communication Technology，Chongqing Education Commission，Chongqing 400065 ， P．响应分析 在各种应用光电检测的实验或项目中， 为了较
准确评估被测量， 常要求光敏器件有良好的线性输 出响应， 即使光生电流尽可能低损耗地转换为输入 外部负载的输出电流， 因此对其光电检测电路输出 的线性响应分析尤为重要。 理论上， 硅光二极管结 构上可等效为一个恒流源与其自身分流结构相并联 的形式， 结合光电二极 管 探 测 器 SPICE （ simulation program with integrated circuit emphasis ） 等 效 模 型
， 该技术主要通过将照射
于光电二极管上的光信号转化为相应的光电流信 号， 再通过电流电压信号转换、 放大、 滤波等后续电 最终实现对原始光信号的检测分 路进一步 优 化， 析