原创 光电二极管(Photodiode)的特性

光电二极管特性

通过释放和加速半导体中的导电载流子，半导体结坝光能量转变为电信号。

光电二极管和普通二极管基本一样，不同之处在于接收光来产生内部电流。

PIN光电二极管P区和N区之间形成的本征层扩大了光谱响应范围。

雪崩光电二极管内部电流增益的雪崩倍增效应提高了光谱效率。

无论哪种情况，光生电流的大小都与入射光的强度相对应，这也是大多数光电二极管应用的要求。

光电二极管是反向工作的。

光电流：在一定反向电压下，入射光强为某一定值时流过管子的（反向）电流。光电二极管的光电流一般为几十微安，并与入射光强度成正比，该值越大越好。

暗电流：在一定反向电压下，无光照时流过管子的（反向）电流，该值越小越好。

电气特性

硅光电二极管可以表示为与理想二极管并联的电流源（图  3）。电流源代表入射辐射产生的电流，二极管代表pn结。此外，结电容（Cj ）和分流电阻（RSH）与其他元件并联。串联电阻(RS)与该模型中的所有组件串联。

分流电阻,Rsh

分流电阻是原点处光电二极管电流-电压曲线的斜率，即 V=0。 虽然理想的光电二极管应该具有无限大的分流电阻，但实际值在 10 到 1000 兆欧之间。 实验上，它是通过施加 ±10 mV、测量电流并计算电阻获得的。 分流电阻用于确定无偏置（光伏模式）的光电二极管中的噪声电流。 为获得最佳光电二极管性能，需要最高的分流电阻。

串联电阻,RS

光电二极管的串联电阻来自触点电阻和未耗尽硅的电阻。

其中WS是衬底的厚度，  Wd是耗尽区的宽度，  A是结的扩散面积，ρ 是衬底的电阻率，  RC是接触电阻。串联电阻用于确定光电二极管在光伏模式（无偏置，V=0）下的线性度。虽然理想的光电二极管应该没有串联电阻，但测量的典型值范围为10 到1000Ω。

结电容，CJ

耗尽区的边界充当平行板电容器的极板。结电容与扩散面积成正比，与耗尽区宽度成反比。此外，较⾼电阻率的衬底具有较低的结电容。此外，电容取决于反向偏压，如下所示：

其中 0=  8.854x10‑14  F/cm,  是自由空间的介电常数,  Si=11.9  是硅的介电常,  µ = 1400cm2 / Vs 是电子在 300 K 时的迁移率, 是电阻率硅，Vbi是硅的内置电压，VA是施加的偏压。上图显示了电容对施加的反向偏置电压的依赖性。

结电容用于确定光电二极管的响应速度。

升/下降时间和频率响应，tr/tf/f3dB

光电二极管的上升时间和下降时间定义为信号从最终值的  10%  上升或下降90% 或90%到10%的时间分别。该参数也可以表示为频率响应，即光电二极管输出降低  3dB  时的频率。大致近似为

定义光电二极管响应时间的三个因素：

1.  tDRIFT，载流子在光电二极管耗尽区的电荷收集时间。

2.  tDIFFUSED，载波中的电荷收集时间光电二极管的未耗尽区。

3.  tRC，二极管电路组合的RC时间常数。

tRC由  tRC=2.2  RC  确定，其中  R  是二极管串联电阻和负载电阻  (RS  +  RL)的总和，C  是光电二极管结和 杂散电容  (Cj  +CS)的总和。由于结电容  (Cj )  取决于光电二极管的扩散面积和施加的反向偏压（等式  2），因此使用较小的扩散面积光电二极管和较大的反向偏压可获得较快的上升时间。此外，可以通过使 用短引线和仔细布置电子元件来最大限度地减少杂散电容。

总上升时间由以下因素决定：

通常，在光伏操作模式（无偏置）中，对于小于  5  mm2  的扩散区域，上升时间由扩散时间决定，对于所有波长的较大扩散区域，上升时间由  RC  时间常数决定。

在光电导模式（施加反向偏压）下工作时，如果光电二极管完全耗尽，例如⾼速系列，则主要因素是漂移时间。然而，在非完全耗尽的光电二极管中，所有三个因素都会影响响应时间。

光学特性 响应度，  Rλ

硅光电二极管的响应度是衡量对光敏感度的指标，定义为给定波长下光电流IP与入射光功率P的比值：

换句话说，它是光功率转换为电流的有效性的量度。它随入射光的波长以及施加的 反向偏压和温度而变化。

由于光电二极管中电荷收集效率的提⾼，响应度会随着施加的反向偏压而略有增加。如图6  所示，由于温度变化也会导致响应度发生变化。这是由于带隙的减小或增加，分别由于温度的升⾼或降低。光谱响应率可能因批次而异，并且取决于波长。

然而，在选定的基础上，响应度的相对变化可以减少到小于  1%。

量子效率，QE

量子效率定义为对光电流有贡献的入射光子的分数。它通过以下方式与响应度相关。

 

不均匀性

响应的不均匀性被定义为在具有小光点的光电二极管有源区域的表面上观察到的响应度的变化。不均匀性与光斑尺寸成反比，即光斑尺寸越小，不均匀性越大。

非线性

如果产生的光电流随入射光功率线性增加，则认为硅光电二极管是线性的。 光电流线性度是通过测量作为总光电流或入射光功率函数的入射光功率的微小变化而导致的光电流微小变化来确定的。 非线性是光电流的变化与光功率的相同变化之比的变化，即 ΔI/ΔP。 换句话说，线性表现出响应度在一定光功率范围内的一致性。 对于平面漫射光电二极管，规定在 6-9 个十进制范围内的非线性度小于 ±1%。 光电流线性度的下限由噪声电流决定，上限由串联电阻和负载电阻决定。 随着光电流的增加，首先出现非线性，随着光电流的增加逐渐增加，最后在饱和水平，光电流随着入射光功率的增加而保持恒定。 通常，当光电探测器表现出非线性时，入射光功率的相同变化所产生的光电流变化在较高电流水平下较小。 通过对光电二极管施加反向偏压，可以稍微扩展线性范围。

 

当光电二极管用于低频应用（⾼达  350  kHz）以及超低光级应用时，首选光伏运行模式（无偏 置）。除了提供简单的操作配置外，此模式下的光电流响应度随温度的变化较小。图  10  显示了 超低光照水平/低速的示例。

电流-电压特征

没有入射光的光电二极管的电流‑电压特性类似于整流二极管。当光电二极管正向偏置时，电流呈指数增长。当施加反向偏压时，会出现一个小的反向饱和电流。它与暗电流有关：

其中ID是光电二极管暗电流，  ISAT是反向饱和电流，q  是电子电荷，  VA是施加的偏置电压，kB=1.38 x 10‑23 J/K，是玻尔兹曼常数，T是绝对温度（273K= 0 摄氏度）。

这种关系如上图所示。根据等式  7，可以定义三种不同的状态：

  a).  V = 0，在这个状态下，暗电流IP=0。 

  b).  V =  +V，在这种状态下电流呈指数增长。这种状态也称为正向偏置模式。 

  c).  V = ‑V，当对光电二极管施加非常大的反向偏压时，暗电流变为反向饱和电流ISat。

用光辐射照射光电二极管，将  IV  曲线移动光电流  (IP)  的量。因此：

其中IP定义为式中的光电流。

随着施加的反向偏压增加，光电二极管电流急剧增加。此时施加的反向偏压称为击穿电压。这是施加的最大反向偏压，光电二极管应在低于该偏压的情况下运行（也称为最大反向电压）。击穿电压因光电二极管而异，对于小的有源区域，通常在  10  µA  的暗电流下测量。

噪音

在光电二极管中，可以识别两个噪声源；散粒噪声和 约翰逊噪声。

散粒噪声

散粒噪声与光电流和暗电流的统计波动有关。散粒噪声的幅度表示为均方根  (rms)  噪声电流：

其中  q=1.6x10‑19C，是电子电荷，  IP是光生电流，  ID是光电探测器暗电流，Δf  是噪声测量带宽。在光 电导（偏置）模式下工作时，散粒噪声是主要来源。

热噪声或约翰逊噪声

光电探测器中的分流电阻具有与之相关的约翰逊噪声。这是由于载流子的热生成。此生成的噪声电流的大小为：

其中kB=1.38  x  10‑23  J/K  是玻尔兹曼常数，T 是以开氏度为单位的绝对温度( 273K= 0 ºC)，Δf  是噪声测量带宽，RSH  是分流电阻光电二极管。这种类型的噪声是光伏（无偏）运行模式下的主要电流噪声。

注意：所有电阻器都有与之相关的约翰逊噪声，包括负载电阻器。这个额外的噪声电流很大，并且增加了由 光电探测器分流电阻引起的约翰逊噪声电流。

总噪音

光电探测器中产生的总噪声电流由以下因素决定：

噪声等效功率  (NEP)

噪声等效功率是光电探测器上的入射光功率量，它产生的光电流等于噪声电流。  NEP  定义为：

 

其中R是以  A/W  表示的响应度，  Itn是光电Itn是光电探测器的总噪声。NEP值可以从大有源区光电二极管的10‑11W/√Hz  到小有源区光电二极管的10‑15  W/√Hz不等

温度效应

所有光电二极管特性都受温度变化的影响。它们包括分流电阻、暗电流、击穿电压、响应度以及较小程度上的其他参数，例如结电容。

分流电阻和暗电流

光电二极管中有两个主要电流导致暗电流和分流电阻。 扩散电流是光伏（无偏压）运行模式中的主导因素，它决定了分流电阻。 它随着温度的平方而变化。 然而，在光电导模式（反向偏置）下，漂移电流成为主导电流（暗电流）并随温度直接变化。 因此，与光电导操作模式相比，温度变化对光伏模式中的光电探测器的影响更大。

在光电导模式下，温度每增加 10 ºC，暗电流可能会增加一倍。 在光伏模式下，温度每降低 6 ºC，分流电阻可能会增加一倍左右。 确切的变化取决于附加参数，例如施加的反向偏压、基板的电阻率以及基板的厚度。

击穿电压

对于小有源面积器件，击穿电压定义为暗电流变为  10µA  时的电压。由于暗电流随温度升⾼而增加，因此，击穿电压会随温度升⾼而降低。

响应度

温度对响应度的影响在这些说明的“响应度”部分进行了讨论。

偏置

光电二极管信号可以测量为电压或电流。

电流测量显示出更好的线性度、偏移和带宽性能。产生的光电流与入射光功率成正比，必须使用跨阻抗配置将其转换为电压。根据应用的具体要求，光电二极管可以在施加或不施加反向偏 压的情况下工作。它们被称为“光电导”（偏置）和“光伏”（无偏置）模式。

光导模式(PC，Photoconductive Mode)

应用反向偏压（即阴极正，阳极负）可以大大提高设备的响应速度和线性度。 这是由于耗尽区宽度增加并因此导致结电容减小。 然而，施加反向偏压会增加暗电流和噪声电流。 在光电导模式下运行的低光级/高速响应示例如下图所示。

在这种配置中，检测器被偏置以减少结电容，从而减少噪声和上升时间 (tr)。 本例中使用了两级放大，因为需要高增益和宽带宽。 这两个级包括一个用于电流到电压转换的互阻抗前置放大器和一个用于电压放大的非反相放大器。 根据等式 (13) 和 (14)，增益和带宽 (f3dB Max) 直接由 RF 确定。 第二级的增益近似为 1+ R1 / R2。 反馈电容器 (CF) 将限制频率响应并避免增益峰值。

其中  GBP  是放大器(A1)的增益带宽积，  CA是放大器输入电容。

此配置中使用的典型组件是：

然而，在⾼速、⾼光级测量中，首选不同的方法。最常见的例子是短脉冲气体激光器、固态激光 二极管或任何其他类似短脉冲光源的脉冲宽度测量。光电二极管输出可以直接连接到示波器 （图  9）或馈送到快速响应放大器。使用示波器时，可以将示波器的带宽调整为光源的脉冲宽 度，以获得最大信噪比。在此应用中，偏置电压很大。两个相反的保护二极管应跨输入和地连接到示波器的输入端。

为避免输出信号中出现振铃，检测器和示波器之间的电缆应较短（即 < 20 厘米）并端接一个 50 欧姆负载电阻 (RL)。 如果可能，光电二极管应封装在金属盒中，在检测器和电容器之间以及检测器和同轴电缆之间使用短引线。 金属盒应通过电容器 (C1) 连接，引线长度 (L) 小于 2 cm，其中 RL C1 > 10 T（T 是以秒为单位的脉冲宽度）。 选择 RS 使得 RS < VBIAS / 10 IPDC，其中 IPDC 是直流光电流。 带宽定义为 0.35 / T。 此应用至少需要 10V 的反向偏压。 请注意，不应施加大于光电二极管最大反向电压的偏置。

光伏模式（PV, Photovoltaic Mode）

当光电二极管用于低频应用（⾼达  350  kHz）以及超低光级应用时，首选光伏运行模式（无偏 置）。除了提供简单的操作配置外，此模式下的光电流响应度随温度的变化较小。下图显示了超低光照水平/低速的示例。

在此示例中，考虑了一个  FET  输入运算放大器以及一个大电阻反馈电阻器(RF) 。检测器是无偏的，可以消除任何额外的噪声电流。总输出由等式  (15)  确定，运算放大器噪声电流由等式  (16)  中的RF确定：

其中  k=1.38  x  10‑23  J/K，T  是以  K  为单位的温度。

为了稳定，选择CF这样

增益峰化补偿后的工作带宽为：

此配置的一些推荐组件是：

 

这种模式也称为零偏压模式。当光电二极管工作在低频应用和超能级光应用时，这种模式是首选。当闪光照射光电二极管时，会产生电压。产生的电压将具有非常小的动态范围，并且具有非线性特性。当光电二极管在此模式下配置 OP-AMP ，随温度的变化将非常小。

在这种模式下，光电二极管两端的电压为零。光电二极管中不会流过任何暗电流，线性度和灵敏度达到最高， 而噪声水平相对较低 （只有 RJ 的热噪声）。因此，光伏模式非常适合于高精度应用。

计算 功率：

dbm：意即分贝毫X，可以表示分贝毫伏，或者分贝毫瓦。他是一个表示功率绝对值的单位。

功率/电平（dBm）：放大器的输出能力，一般单位为w、mw、dBm。dBm是取1mw作基准值，以分贝表示的绝对功率/电平

计算公式为：10 lg功率值/1mW。例如：如果发射功率为1mW，按dBm单位进行折算后的值应为：10 lg 1mW/1mW = 0dBm；

 

0dBm = 1mW,

10dbm = 10mW,

-50dBm = 0dbm -10-10-10-10-10 = 1mW/10/10/10/10/10 = 1*10-5 mW

-60dBm = 1*10-6 mW

电流：

按需求-60dBm~10dBm

取Re=0.85, 则

输出电压：

假设输出上限为3V,下线为0V

则第一级放大器的输出为1V, Ip= 10mA, Rf = 100R;当OPA1输出电压下降为10mV,这对应的Ip为0.1mA, 这时对应的光功率Pd = 0.1mW = -10dBm;

第一级放大器的输出为1V, Ip= 100uA, Rf = 10KR;当OPA1输出电压下降为10mV, 这时对应的Ip = 1uA, 这时对应的光功率Pd = 1*10-3mW = -30dBm;

第一级放大器的输出为1V, Ip= 1uA, Rf = 1MR; 当OPA1输出电压下降为10mV, 这时对应的Ip = 10nA, 这时对应的光功率Pd = 1*10-5mW = -50dBm;

第一级放大器的输出为1V, Ip= 10nA, Rf = 100MR; 当OPA1输出电压下降为10mV, 这时对应的Ip = 0.1nA, 这时对应的光功率Pd = 1*10-7mW = -70dBm;

假设光功率下限为-60dBm, Ip = 0.85nA ，取Rf= 60MR , 则OPA1 输出电压为51mV，对应ADC电压为153mV. 当OPA1输出1V时，Ip约为 16.6nA ，Pd = 1.96*10-5mW = -47dBm;

 

Vo=IpRf+Ib-Rf-Ib+RC+ILRf