硅光電二極管的參數(shù)選擇

硅光電二極管的參數(shù)選擇

0硅光電勢(shì)線管理策略由于響應(yīng)快、響應(yīng)精度高、性能穩(wěn)定、線性好、噪聲低，硅光裕適合廣泛應(yīng)用于光電工程的檢測(cè)電路。特別是在激光通信測(cè)量中，我們通常需要測(cè)量小于微瓦的光信號(hào)，這與硅光裕不在乎。質(zhì)量好的硅光裕模型用于激光輸出測(cè)量，測(cè)量限額為10-8w，分辨率為10-12w。在很多情況下，電子顯微鏡電路接收到隨時(shí)間而變化的光信號(hào)，其特點(diǎn)是：相位噪聲獨(dú)特或豐富。當(dāng)信號(hào)非常微弱時(shí)，由于電子顯微鏡噪聲和電路的熱噪聲的影響，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行低噪聲處理和放大。因此，在交變電阻器的動(dòng)態(tài)信號(hào)引導(dǎo)下，正確選擇硅光裕算子的參數(shù)，可以獲得最小干擾失真信號(hào)和信號(hào)檢測(cè)的靈敏度。1硅光電勢(shì)狀態(tài)下的等效電路光電二極管是一種光電轉(zhuǎn)換器件,其基本原理是當(dāng)光照射在P—N結(jié)上時(shí),被吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?這是一個(gè)吸收過(guò)程,與發(fā)光二極管的自發(fā)輻射和激光二極管的受激幅射過(guò)程相逆.P—N型硅光電二極管是最基本和應(yīng)用最廣的管子.基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,它是在N型硅單晶片的上表面擴(kuò)散一薄層P型雜質(zhì),形成P+型擴(kuò)散層.由于擴(kuò)散,在P+區(qū)和N型區(qū)形成一個(gè)P+N結(jié).P+區(qū)是透明的,光子可以通過(guò)P+區(qū)到達(dá)PN結(jié)區(qū)產(chǎn)生光電子.在N型硅單晶下表面擴(kuò)散N型雜質(zhì)以形成高濃度的N+擴(kuò)散區(qū),以便給金屬電極提供良好的電接觸.另一種常用的硅光電二極管是P—I—N型硅光電二極管,其結(jié)構(gòu)同P—N型類(lèi)似.位于P層和N層之間的耗盡層由本征半導(dǎo)體構(gòu)成,可以提供一個(gè)較大的耗盡深度和較小的電容,適合于反向偏壓工作.硅光電二極管的等效電路如圖2所示,圖中Is為電流源,它是硅光電二極管接收輻射后所產(chǎn)生的光電流Ip和暗電流Id以及噪聲電流In之和,即:Is=Ip+Id+In(1)質(zhì)量好的管子,噪聲電流很小,可以忽略.暗電流本身并不影響硅光電二極管對(duì)信號(hào)的測(cè)量,在測(cè)量電路中可通過(guò)調(diào)零消除.但暗電流是溫度的函數(shù),在室溫下,溫度每增高一倍,暗電流要提高十倍,因此,暗流引起的噪聲要影響到硅光電二極管探測(cè)的靈敏度.同時(shí),暗電流也同硅光電二極管應(yīng)用時(shí)所加偏壓有關(guān),偏壓越高,暗電流越大;面積越大,暗電流越大.在忽略暗電流和噪聲電流的影響時(shí),可以近似認(rèn)為Is≈Ip(2)Rs是串聯(lián)電阻,由接觸電阻、未耗盡層材料的體電阻所組成,Cd是結(jié)電容,Rs、Cd的大小同管子尺寸、結(jié)構(gòu)和偏壓有關(guān),偏壓越大,Rs、Cd越小,Rd是硅光電二極管的并聯(lián)電阻,由硅光電二極管耗盡層電阻和漏電阻所構(gòu)成.它也是隨溫度的變化而變化的,與管子尺寸有關(guān).結(jié)面積越小,Rd越大.溫度越高,Rd越小.D為PN結(jié)等效二極管,RL為負(fù)載電阻,CL為負(fù)載電容.2il—硅光電二極管的線性響應(yīng)與負(fù)載電阻的關(guān)系在光電檢測(cè)電路中當(dāng)檢測(cè)信號(hào)是緩變信號(hào)時(shí),電容Cd、CL的影響忽略不計(jì),此時(shí),由圖2硅光電二極管的等效電路可知,通過(guò)等效二極管D的電流為Id=I0(eqUd/AkT)=I0(eqUd/AVT?1)(3)Ιd=Ι0(eqUd/AkΤ)=Ι0(eqUd/AVΤ-1)(3)(3)式中I0是光電二極管的反向飽和電流,q是電子電量,k是波爾茲曼常數(shù),Ud是加在硅光電二極管上的電壓,常數(shù)A對(duì)于硅材料而言,A≈2,VT=kT/2,流過(guò)負(fù)載上的電流IL為IL=Ip?Id?IRd=Ip?I0[eIL(RS+RL)/AVT?1]?UdRd=Ip?I0[eIL(Rs+RL)/AVT?1]?IL(Rs+RL)Rd(4)ΙL=Ιp-Ιd-ΙRd=Ιp-Ι0[eΙL(RS+RL)/AVΤ-1]-UdRd=Ιp-Ι0[eΙL(Rs+RL)/AVΤ-1]-ΙL(Rs+RL)Rd(4)由(4)式可知,硅光電二極管接受激光輻射時(shí),輸出的負(fù)載電流并非線性關(guān)系,而是指數(shù)關(guān)系.在輸出短路的情況下,由于Rs?RL,則(4)式變?yōu)镮L=Ip?I0(eILRL/AVT?1)(5)ΙL=Ιp-Ι0(eΙLRL/AVΤ-1)(5)如果二極管的向飽和電流很小,而輸出電流不大,即保持IsRL?AVT,可得到IL≈Ip,即輸出電流近似等于光電流,也就是線性好.因此,硅光電二極管進(jìn)行激光測(cè)量時(shí)要選取Rf大、Rs小、I0小的二極管,并在輸出短路狀態(tài)下工作.下面推導(dǎo)硅光電二極管的線性公式:設(shè)硅光電二極管的線性偏差為P=(Ip-IL)/IL,將(5)式代入得P=Ip?ILIL=Ip?(Ip?Id?IRd)IL=Id+IRdIL=I0(eIL(Rs+RL)/AVT?1)+(Rs+RL)?IL/RdIL=I0(eUd/AVT?1)+Ud/RdIL(6)Ρ=Ιp-ΙLΙL=Ιp-(Ιp-Ιd-ΙRd)ΙL=Ιd+ΙRdΙL=Ι0(eΙL(Rs+RL)/AVΤ-1)+(Rs+RL)?ΙL/RdΙL=Ι0(eUd/AVΤ-1)+Ud/RdΙL(6)由(6)式可以定性看出Rs越小,Rd越大,I0越小時(shí),線性P值越小,即線性好.在負(fù)載短路狀態(tài)下,RL=0,一般RS?Rd,故(6)式可簡(jiǎn)化為路狀態(tài)下線性偏差I(lǐng)L—P曲線P=I0IL=(eIL?Rs/AVT?1)(7)Ρ=Ι0ΙL=(eΙL?Rs/AVΤ-1)(7)由(7)式可見(jiàn):只要I0和Rs值很小,則線性偏差值很小,即線性好.對(duì)于2CUGS型硅光電二極管,其暗電流I0=2.1nA,串聯(lián)電阻Rs=10Ω,常數(shù)A=2,在常溫下計(jì)算得1/AVT≈20(1/V).帶入(7)式可得不同輸出短路電流情況下的IL—P曲線.如圖3所示.由圖3可見(jiàn)其線性很好,但輸出電流IL?1mA時(shí),P值增加很快,硅光二極管的線性變差.當(dāng)RL≠0時(shí),又考慮(RL+Rs)?Rd的情況下,(6)式化簡(jiǎn)為P=I0IL(eU/AVT)=I0IL(eILRs/AVT?1)(8)Ρ=Ι0ΙL(eU/AVΤ)=Ι0ΙL(eΙLRs/AVΤ-1)(8)第20卷第5期付文羽等:硅光電二極管在光電檢測(cè)電路中的應(yīng)用研究21由(8)式可得,在IL不為零時(shí),隨著RL的增大P值增大,線性變壞.若取R=100Ω,1kΩ,則在其它條件不變的情況下所得的IL—P曲線如圖4所示3韓光誠(chéng)的噪聲特性分析3.1區(qū)隔pn,確定頻率,即梯度1,2.;由PN結(jié)中隨機(jī)電流產(chǎn)生的,即PN結(jié)載流子運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)變化所引起的噪聲.它與頻率無(wú)關(guān),屬于白噪聲.設(shè)Δf為光電二極管工作的頻帶寬度,Is≈Ip為通過(guò)PN結(jié)的電流,q為電子電荷,則散粒噪聲Inp的數(shù)值可表示為Inp=(2qIpΔf)12(9)Ιnp=(2qΙpΔf)12(9)3.2光電流噪聲電流的測(cè)量熱噪聲是由自由電子在電阻材料中隨機(jī)運(yùn)行所產(chǎn)生的,其值為Vd=(4kTRdΔf)12(10)Vd=(4kΤRdΔf)12(10)式中k為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對(duì)溫度,Rd是硅光電二極管的內(nèi)阻,所產(chǎn)生的熱噪聲電流值為Ind=(4kTRdΔf/Rd)12(11)Ιnd=(4kΤRdΔf/Rd)12(11)由(9)、(10)式可得硅光電二極管本身產(chǎn)生的總噪聲電流為I2n=(2qIpΔf+4kTRdΔf/Rd)12(12)Ιn2=(2qΙpΔf+4kΤRdΔf/Rd)12(12)其信噪比為S/N=Ip/In=Ip/(2qIpΔf+4kTRdΔf/Rd)12(13)S/Ν=Ιp/Ιn=Ιp/(2qΙpΔf+4kΤRdΔf/Rd)12(13)由(13)式可見(jiàn),對(duì)于內(nèi)阻大的硅光電二極管,其噪聲電流要小一些.表1列出了不同光電流下兩種噪聲電流的比較.由表可看出,當(dāng)光電流大于10-10A時(shí)散粒噪聲隨著電流的增加而顯著地變大.因此,在光電檢測(cè)電路中,減小光電二極管的散粒噪聲就成了主要問(wèn)題.3.3光電檢測(cè)電路的噪聲模型用硅光電二極管組成的光電檢測(cè)電路,信噪比除了與選用的二極管的性能和偏壓方式有關(guān)之外,還與輸入電路的元件參數(shù)有關(guān).如果考慮到測(cè)量時(shí)的線性,必須保證負(fù)載阻抗為零.因此,常用低噪聲運(yùn)算放大器接成電流電壓轉(zhuǎn)換器的辦法來(lái)滿(mǎn)足這一要求.如圖5所示.由于負(fù)反饋運(yùn)算放大器的等效輸入阻抗為Rin=Rf/(1+A),其中A為運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益,Rf為放大器的反饋電阻.一般而言,運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益大于A?106,則輸入阻抗Rni≈0.一方面可提高硅光電二極管測(cè)量的線性,另一方面因光電二極管工作區(qū)域接近短路狀態(tài),電路可獲得最小噪聲系數(shù).由圖5可畫(huà)出光電檢測(cè)電路的噪聲模型如圖6所示,圖中Is為光電二極管的光電流,Ins為光電二極管的散粒噪聲電流,Rd為光電二極管的內(nèi)阻,Ind為內(nèi)阻產(chǎn)生的熱噪聲電流,Cd為光電二極管結(jié)電容,C0為電路的布線電容;Efn=(4ktΔfRf)12Efn=(4ktΔfRf)12為反饋電阻Rf所產(chǎn)生的熱噪聲電壓,En、In分別為運(yùn)算放大器的等效噪聲電流和電壓,ri為運(yùn)算放大器的輸入阻抗,Vi為放大器輸入端信號(hào)電壓值,En0為放大器等效輸出噪聲電壓值,Ini為各噪聲電源在放大器輸入端產(chǎn)生的等效輸入噪聲電流值.根據(jù)圖6可寫(xiě)出各噪聲電源在輸入端產(chǎn)生的等效噪聲電流為I2ni=2qIsΔf+4kT(1Rd+1Rf)Δf+I2n+E2nΔf(1Rd+1Rf)2(14)Ιni2=2qΙsΔf+4kΤ(1Rd+1Rf)Δf+Ιn2+En2Δf(1Rd+1Rf)2(14)則光電檢測(cè)電路信噪比S/N=IsIni=Is/[2qIs+4kT(1Rd+1Rf)+I2n+E2n(1Rd+1Rf)2]12?Δf???√(15)S/Ν=ΙsΙni=Ιs/[2qΙs+4kΤ(1Rd+1Rf)+Ιn2+En2(1Rd+1Rf)2]12?Δf(15)從(15)式可知,光電檢測(cè)電路信噪比主要與以下幾個(gè)方面的因素有關(guān):首先是輸入回路中光電二極管的內(nèi)阻Rd和放大器的反饋電阻Rf,Rd的大小取決于二極管的選