硅光电二极管在光电检测电路中的设计和应用

本文研究的是硅光电二极管在光电检测电路中的线性响应与噪声特性的分析，提出一些硅光电二极管在电路中的应用。因为是将光信号最后转换为电信号，其中有各种影响因素，所以对其在电路中的应用进行分析是非常重要的，接下来进入正题。

1.1 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，即将光信号转换为电信号，后面再前置放大电路会详细说明。光电二极管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。硅光电二极管同光电池一样，按基底材料不同可分为2DU型和2CU型。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。通常情况下，质量较好的硅光电二极管的噪声是可以忽略不计的，主要原因在于其噪声电流非常小。在硅光电二极管对信号的测量中，本来能够通过调零将暗电流消除，然而，暗电流受温度的影响很大，随着温度的升高而升高，因此，由暗电流引起的噪声对硅光电二极管检测灵敏度的影响是不可被忽视的。

2. 硅光电二极管特性分析

2.1 伏安特性分析

由图2.1可见，在低反压下电流随光电压变化非常敏感。这是由于反向偏压增加使耗尽层加宽、结电场增强，它对于结区光的吸收率及光生裁流子的收集效率影响很大。当反向偏压进一步增加时，光生载流子的收集已达极限，光电流就趋于饱和。这时，光电流与外加反向偏压几乎无关，而仅取决于入射光功率。

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图1.1 二极管的伏安特性

2.2 硅光电二极管的光学特性

硅光电二极管的响应特性与突发光照波长的关系响应率定义为光电导模式下产生的光电流与突发光照的比例。响应特性也可以表达为光照产生的载流子数量与突发光照光子数的比例。

响应速率即响应特性标志着光电二极管对快速突变光信号的传输响应。影响响应速度的是，光生载流子的扩散时间。若对PIN型硅光电二极管以耗尽层为主要工作区，扩散时间可忽略，硅光电二极管的电流响应率通常在0.4~05mA/mW，通常将其峰值响应波长的电流灵敏度作为光电二极管的电流灵敏度。

2.3 影响因素

综上分析，可见暗电流与噪声对于硅光电二极管的光电检测是必须要检查分析的。

在光电导模式下，当不接受光照时，通过光电二极管的电流被定义为暗电流。暗电流是硅光电二极管最重要的参数之一，其他参数如噪声电流和动态电阻都与它有直接的关系。暗电流包括了辐射电流以及半导体结的饱和电流。暗电流必须预先测量，特别是当光电二极管被用作精密的光功率测量时，暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。

噪声也是影响光电检测的一个重要因素。

硅光电二极管噪声主要包含热噪声和散粒噪声两种，其中，热噪声是由于电阻材料中的自由电子随机运动所产生的，取决于材料的噪声等效带宽、电阻及温度，而散粒噪声是由硅光电二极管PN结中的截流子随机运动而产生的，属于白噪声，与通过光电二极管的电流和噪声带宽相关，而与频率无关。光电检测电路中的一些参数也会影响信噪比，在目前光电检测电路设计中常利用运算放大器接成电压电流转换器来确保负载阻抗为零间，以满足输出线性响应的要求。而影响电路信噪比的因素有:一是运算放大器的反馈电阻及硅光电二极管的内阻，适当地提升放大器的反馈电阻以及选用适当的硅光电二极管有利于改善信噪比，而且还有利于电压、电流转换的转换系数提高。二是失调的电压、电流以及放大器的等效输入噪声电压、电流，其中失调电压、电流的大小会随着温度而漂移，虽然在电路调整时能够对失调电压、电流加以补偿，然而随温度漂移的影响必然会在电路输入端产生噪声，而等效输入噪声电流中所造成的噪声电流在总噪声电流的绝大部分。

因此，为了提高电路输出端的信噪比，应该尽可能地选用噪声性能更好、失调电压、电流较低的放大器。

2. 光电检测电路的设计思路与检测

2.1 前置放大电路的设计

这里给出设计的一般思路，关于前置放大电路就涉及到光电二极管在电路中是怎样把光信号转换为电信号了，对应运放的工作原理，充分了解后才能把这两者更好的结合。

普通二极管在反向电压作用时处于截止状态，只能流过微弱的反向电流，光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用下工作的，有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件，这在硅光电二极管的使用方法里有详细的讲解。

光电二极管可以在2 种模式下工作， 一是零偏置的光伏模式； 一是反偏置的光导模式，具体电路如图2.2 所示。 在光伏模式时， 光电二极管可以非常精确地线性工作；而在光导模式时，光电二极管能够实现较高的切换速度，但要牺牲线性；同时， 反偏置模式下的光电二极管即使在无光照条件下也会产生一个极小的暗电流， 暗电流可能会引入输入噪声。 因此选用光伏模式。

根据上文对硅光电二极管特性的描述，选择了适合的硅光电检测器件和ICL7650运放芯片设计成电路进行分析。选择的7650运放可以使微弱直流光电信

    号得到有效地放大，还能补偿电路温度飘逸干扰，有助于电路输出信号精度的提升，因此适用于低噪声，微电流。

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图2.2 工作模式

后面电路接上负载与检测器件组成完整的光电检测电路。

2.2 光电检测电路的检测实现

先使用示波器来对无光照射条件下所搭建电路的输出噪声进行了测试测试结果表明该检测电路的灵敏度能够到达10mV。当光照条件较差时，为了对微弱光信号进行充分收集，同时尽量地将光电器件受光照不均匀消除，从而提升实验精度，实验过程中可以先利用透镜将微弱光信号进行聚焦，然后再将聚焦后的光信号以正面垂直的方式照射到硅光电二极管的感光面，然后再对的输入端光照与输出端电压之间的关系进行进一步测量，测量结果表明将硅光电二极管应用于光电检测电路中，同时在配以低噪声高增益的运放芯片，其电路具有良好的线性输出响应。

这里介绍一些硅光电二极管的应用：（1）在光电阴极与硅光电二极管的结合中      

的应用：荷兰D E P 公司最近推出一种混

成光电倍增管, 这是一种全新的概念。这种光电倍增管由一个传统的光电阴极和一个硅光电二极管构成, 两者都装在同一个管子内。光电阴极把光子转换成电子, 电子得到加速后聚焦在硅光电二极管上。这种光电倍增管的增益与加速电压成正比, 其主要特点是响应时间短(2 ns)、增益高( 3＊103)、线性度好(104)；

（2）二极管阵列检测器（diode-array detector, DAD）是以光电二极管阵列（或CCD阵列，硅靶摄像管等）作为检测元件的。它可构成多通道并行工作，同时检测由光栅分光，再入射到阵列式接受器上的全部波长的信号，然后，对二极管阵列快速扫描采集数据，得到的是时间、光强度和波长的三维谱图。

（3）硅光电二极管在光纤探测器中的应用；

（4）硅光电二极管在CCD中的应用等。

本文通过硅光电二极管的基本结构及电路特性的分析，并以此给出了一个检测思路，同时对该电路进行了测试。测试结果表明该光电检测电路具有结构简单、线性良好、输出噪声低等优点。因此，光电二极管检测电路中硅光电二极管的选用及应用应该注意光电检测电路的噪声特性及线性响应。

参考文献：

[1] 贾牧霖，曾国强，马雄楠.一款低成本硅PIN光电二极管偏置电路的设计及应用[J].现代电子技术，2014(13):159-161.

郑培超，于斌，刘克铭.硅光二极管光电检