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[光敏二极管]光敏二极管的动态范围是什么

日期:2022-08-05

光电二极管是常用的光电探测器,它在很大程度上取代了以前使用的真空光电管。它们是包含 p-n 结的半导体器件,通常在 n 层和 p 层之间有一个本征(未掺杂)层。具有本征层的器件称为p-i-n或PIN 光电二极管。在耗尽区或本征区吸收的光会产生电子-空穴对,其中大部分会产生光电流。在很宽的光功率范围内,光电流可以非常精确地与吸收(或入射)的光强度成比例。


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光敏二极管一、工作模式

二极管可以在两种截然不同的模式下运行:光伏模式:像太阳能电池一样,发光的光电二极管会产生可测量的电压。然而,该电压对光功率的依赖性是非线性的(见图 2),并且动态范围相当小。此外,没有达到最大速度。

  

光敏二极管二、光电导模式

在这里,反向电压被施加到二极管(即,在没有入射光的情况下二极管不导通的方向上的电压)并测量产生的光电流。该反向偏置模式的最简单解决方案是基于电压源和负载电阻,如图 3 所示。光电流对光功率的依赖性在光功率的六个或更多数量级上可以是非常线性的,例如,对于具有几 mm 2有源面积的硅 p-i-n 光电二极管,范围从几纳瓦到几十毫瓦. 反向电压的大小对光电流几乎没有影响,而对(通常很小的)暗电流(在没有光的情况下获得)有一些影响。较高的反向电压往往会使响应更快,但也会增加器件的发热,这对于高光电流来说可能是一个问题。


光敏二极管三、运算放大器

人们经常使用电流放大器(也称为跨阻放大器)。这种放大器通常由运算放大器 (op-amp) 实现,它使二极管处的电压保持几乎恒定(例如接近零,或处于某些可能可调的反向偏压),因此光电二极管的电容失去了大部分相关性. 光电二极管的残余电压变化与所用运算放大器的增益成反比。尽管如此,当需要高检测带宽时,最好尽量减少输入电容。例如,最好将光电二极管直接连接到电流放大器,而不是使用长电缆连接。


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光敏二极管四、噪声特性

也可作为 OEM 设备使用的电流放大器也可以具有非常好的噪声特性。相关数字是噪声等效输入电流,它可以远低于 1 pA/Hz 1/2。市售的实验室电流放大器通过提供许多不同的灵敏度设置来帮助使功率测量非常灵活,因此具有低噪声性能的巨大动态范围,还可能具有内置显示器、可调节偏置电压和信号偏移、可调节滤波器、等等


光敏二极管五、关键特性

光电二极管最重要的特性是:响应度,即每单位光功率的光电流——与量子效率有关,取决于有效区域,即感光区击穿电压,设置一个限制到可用的偏置电压,最大允许光电流(通常受饱和限制,高偏置电压可能更低),暗电流(在光电导模式下,取决于偏置电压,对于检测低光水平很重要),即带宽(见下文),与上升和下降时间有关,通常受电容影响 。


光敏二极管六、额外电压降

当施加偏置电压时,通常相当高的分流电阻会产生小电流。它还会产生一些热噪声电流,这在某些情况下会限制灵敏度。通常较小的串联电阻会导致与光电流成比例的额外电压降,并且也会在一定程度上增加检测噪声。


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