光電二極管（Photo-Diode）工作原理與輸出電壓計(jì)算（光導(dǎo)模式：外加偏壓和光伏模式：零偏置）

光電?極管（Photo-Diode）?作原理與輸出電壓計(jì)算（光導(dǎo)模式：外加偏壓和光伏模式：零偏置）光電?極管（Photo-Diode）?作原理與輸出電壓計(jì)算光電池與運(yùn)算放?器相連的典型應(yīng)?電路如下圖所?。下圖中，Rf為反饋電阻，它的取值??決定著電路的放?能?，亦決定著光控靈敏度。接線(xiàn)時(shí)，要注意BP的正、負(fù)極性。如發(fā)現(xiàn)光控效果不好，只需將光電池正、負(fù)極調(diào)換即可。光電?極管（Photo-Diode）是由?個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，具有單?向?qū)щ娞匦浴９怆?極管是在反向電壓作?之下?作的，在?般照度的光線(xiàn)照射下，所產(chǎn)?的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，?且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化?相應(yīng)變化。輸出電壓=輸?光信號(hào)×響應(yīng)度×50Ω負(fù)載結(jié)光電?極管是?種基本器件，功能類(lèi)似于普通的信號(hào)?極管，但在結(jié)半導(dǎo)體的耗盡區(qū)吸收光時(shí)，會(huì)產(chǎn)?光電流。光電?極管是?種快速、?線(xiàn)性度的器件，在應(yīng)?中具有?量?效率，適合多種應(yīng)?。根據(jù)?射光確定期望的輸出電流?平和響應(yīng)度是有必要的。圖1描繪了?個(gè)結(jié)光電?極管模型，它由基本的獨(dú)?元件組成，這樣便于直觀(guān)地了解光電?極管的主要性質(zhì)，更好地掌握Thorlabs光電?極管的?作過(guò)程。圖1:光電?極管模型光電?極管相關(guān)術(shù)語(yǔ)響應(yīng)度光電?極管的響應(yīng)度可以定義為給定波長(zhǎng)下，產(chǎn)?的光電流(IPD)和?射光功率(P)之?：?作模式(光導(dǎo)模式和光伏模式)光電?極管有兩種?作模式：光導(dǎo)模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。?作模式的選擇根據(jù)應(yīng)?中速度和可接受暗電流??(漏電流)?定。光導(dǎo)模式處于光導(dǎo)模式時(shí)，有?個(gè)外加的偏壓，這是我們DET系列探測(cè)器的基礎(chǔ)。電路中測(cè)得的電流代表器件接受到的光照;測(cè)量的輸出電流與輸?光功率成正?。外加偏壓使得耗盡區(qū)的寬度增?，響應(yīng)度增?，結(jié)電容變?，響應(yīng)度趨向直線(xiàn)。在這些條件下?作容易產(chǎn)?較?的暗電流，但可以選擇光電?極管的材料以限制其??。(注:我們的DET器件都是反向偏置的，不能在正向偏壓下?作。)光伏模式光伏模式下，光電?極管是零偏置的。器件的電流流動(dòng)受到限制，形成?個(gè)電壓。這種?作模式利?了光伏效應(yīng)，它是太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)。當(dāng)在光伏模式?作時(shí)，暗電流最?。暗電流暗電流是光電?極管有偏壓時(shí)的漏電流。在光導(dǎo)模式?作時(shí)，容易出現(xiàn)更?的暗電流，并與溫度直接相關(guān)。溫度每增加10°C，暗電流?乎增加?倍，溫度每增加6°C，分流電阻增??倍。顯然，應(yīng)?更?的偏壓會(huì)降低結(jié)電容，但也會(huì)增加當(dāng)前暗電流的??。當(dāng)前的暗電流也受光電?極管材料和有源區(qū)尺?的影響。鍺器件暗電流很?，硅器件的暗電流通常?鍺器件的?。下表給出了?種光電?極管材料及它們相關(guān)的暗電流,速度,響應(yīng)波段和價(jià)格。結(jié)電容結(jié)電容(Cj)是光電?極管的?個(gè)重要性質(zhì)，對(duì)光電?極管的帶寬和響應(yīng)有很?影響。需要注意的是，結(jié)區(qū)?積?的?極管結(jié)體積也越?，也擁有較?的充電電容。在反向偏壓應(yīng)?中，結(jié)的耗盡區(qū)寬度增加，會(huì)有效地減?結(jié)電容，增?響應(yīng)速度。帶寬和響應(yīng)負(fù)載電阻和光電?極管的電容共同限制帶寬。要得到最佳的頻率響應(yīng)，?個(gè)50Ω的終端需要使??條50Ω的同軸電纜。帶寬(fBW)和上升時(shí)間響應(yīng)(tr)可以近似?結(jié)電容(Cj)和負(fù)載電阻(Rload)表?：噪聲等效功率噪聲等效功率(NEP)是信噪?等于1時(shí)產(chǎn)?的RMS信號(hào)電壓。它是?常有?的參數(shù)，因?yàn)镹EP決定了探測(cè)器探測(cè)弱光的能?。?般??，NEP隨著探測(cè)器的有源區(qū)?增?，且可以?下式表?：在這?，S/N是信噪?，Δf是噪聲帶寬，?射能量的單位是W/cm2終端電阻使?負(fù)載電阻將光電流轉(zhuǎn)換為電壓(VOUT)以便在?波器上顯?：根據(jù)光電?極管的類(lèi)型，負(fù)載電阻影響其響應(yīng)速度。為達(dá)到最?帶寬，我們建議在同軸電纜的另?端使?50歐姆的終端電阻。其與電纜的本征阻抗相匹配，將會(huì)最?化諧振。如果帶寬不重要，您可以增?負(fù)載電阻(Rload)，從?增?給定光功率下的光電壓。終端不匹配時(shí)，電纜的長(zhǎng)度對(duì)響應(yīng)影響很?，所以我們建議使電纜越短越好。分流電阻分流電阻代表零偏壓下光電?極管的結(jié)電阻。理想的光電?極管分流電阻?限?，但實(shí)際值可能從?歐姆到?千兆歐不等，與其材料有關(guān)。例如，InGaAs探測(cè)器分流電阻在10兆歐姆量級(jí)，?Ge探測(cè)器的分流電阻在千歐量級(jí)。這會(huì)顯著影響光電?極管的噪聲電流。然?，在?部分應(yīng)?中，?電阻?乎不產(chǎn)?效應(yīng)，因?可以忽略。串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻是半導(dǎo)體材料的電阻，這個(gè)?電阻通?？梢院雎浴４?lián)電阻來(lái)?于光電?極管的觸點(diǎn)和線(xiàn)接頭，通常?來(lái)確定?極管在零偏壓下的線(xiàn)性度。通??作電路圖2：反向偏壓電路(DET系列探測(cè)器)如上?所?的模塊化電路DET系列探測(cè)器。探測(cè)器反向偏置對(duì)輸?光產(chǎn)?線(xiàn)性響應(yīng)。光電流的??與?射光??以及波長(zhǎng)有，關(guān)輸出端加?個(gè)負(fù)載電阻就可以在?波器上顯?。RC濾波電路的作?是濾掉輸?電源的?頻噪聲，這些噪聲會(huì)影響輸出端的噪聲。圖3：放?探測(cè)器電路也可以?光電探測(cè)器加放?器來(lái)實(shí)現(xiàn)所需要的?增益。?戶(hù)可以選擇?作在光導(dǎo)模式和光伏模式。使?這個(gè)有源電路有?個(gè)優(yōu)勢(shì)：光伏模式：由于運(yùn)算放?器A點(diǎn)電勢(shì)和B點(diǎn)電勢(shì)相等，因?光電?極管兩端的電勢(shì)差為零伏。這樣最?化了暗電流的可能。光導(dǎo)模式：?極管反向偏置，于是增?了帶寬降低了結(jié)電容。探測(cè)器的增益與反饋元件(Rf)有關(guān)。探測(cè)器的帶寬可?下?的式?計(jì)算：其中GBP是放?器增益帶寬積，CD是結(jié)電容和放?器電容之和。斬波頻率的影響光導(dǎo)體信號(hào)將保持不變，直到時(shí)間常數(shù)響應(yīng)極限為?