硅光電二極管的參數(shù)選擇

硅光電二極管的參數(shù)選擇

1光電檢測電路為小噪聲電儀wds由于它具有快速響應(yīng)性、高靈敏性、穩(wěn)定性能、線性好、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，硅光明檢測器廣泛應(yīng)用于電子顯微鏡電路。質(zhì)量好的硅光二極管用于激光功率測量時(shí),測量下限可達(dá)1×10-8W,分辨率可達(dá)1×10-12W。在許多場合,光電檢測電路接收到的是隨時(shí)間變化的光信號,其特點(diǎn)是單一頻率或包含著豐富的頻率分量的交變信號,當(dāng)信號很微弱時(shí),由于背景噪聲和電路熱噪聲的影響,還需要對信號進(jìn)行低噪聲處理。因此,在交變光電信號作用下,怎樣正確選擇硅光電二極管的參數(shù),以獲得最小非線性失真信號,提高信號檢測的靈敏度就成為人們所關(guān)心的問題。2硅光電勢狀態(tài)電極材料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pn結(jié)上時(shí),被吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?這是一個(gè)吸收過程,與發(fā)光二極管的自發(fā)輻射和激光二極管的受激輻射過程相逆。pn型硅光電二極管是最基本和應(yīng)用最廣的,它是在n型硅單晶片的上表面擴(kuò)散p型雜質(zhì),形成p+型擴(kuò)散層,形成一個(gè)p+n結(jié)。p+區(qū)是透明的,光子可以通過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pin型硅光電二極管,其結(jié)構(gòu)與pn型類似,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,適合于反向偏壓下工作。硅光電二極管的等效電路如圖1所示,圖中Is為電流源,它是硅光電二極管接受輻射后所產(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)量好的光電二極管,其噪聲電流很小,可以忽略。暗電流是溫度的函數(shù),在室溫下,溫度每增高1倍,暗電流將提高10倍。暗電流引起的噪聲將影響到硅光電二極管的探測靈敏度。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;結(jié)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。圖1中,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的大小同器件尺寸、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,由耗盡層電阻和漏電阻所構(gòu)成。它也隨溫度的變化而變化,與器件尺寸有關(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。3硅光電勢不等時(shí)輸出短路電流的修正在光電檢測電路中當(dāng)檢測信號是緩變信號時(shí),電容Cd、CL的影響可忽略不計(jì)。由圖1可知,通過等效二極管D的電流為Id=I0(eqUd/AkT?1)=I0(eUd/AVT?1)(2)式中:I0是光電二極管的反向飽和電流,q是電子電量,k是玻爾茲曼常數(shù),Ud是加在硅光電二極管上的電壓,對于硅材料,常數(shù)A≈2,VT=kT/q,流過負(fù)載上的電流IL為IL=Ip?IRd?Id=Ip?I0[eIL(RS+RL)/AVT?1]?UdRd=Ip?I0[eIL(RS+RL)/AVT?1]?IL(RS+RL)Rd(3)由式(3)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,在輸出短路的情況下,由于Rs?Rd,則式(3)變?yōu)镮L=Ip?I0(eILRS/AVT?1)(4)如果二極管的反向飽和電流很小,而輸出電流不大,即保持ILRs?AVT,可得到IL≈Ip,即輸出電流近似等于光電流,也就是線性較好。因此為提高線性度,應(yīng)選取Rd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P=(Ip-IL)/IL,將式(3)代入得P=Ip?ILIL=Ip?(Ip?Id?IRd)IL=Id+IRdIL=I0(eUd/AVT?1)+Ud/RdIL=I0(eIL(Rs+RL)/AVT?1)+(Rs+RL)IL/RdIL(5)由式(5)可以定性看出,光電二極管的Rs越小,Rd越大,I0越小時(shí),線性P值越小,即線性較好。在負(fù)載短路狀態(tài)下RL=0,一般Rs?Rd,故式(5)可化簡為P=I0IL(eILRs/AVT?1)(6)由上式可見,只要I0和Rs值很小,則線性偏差值很小,即線性好。以2CUGS型硅光電二極管為例,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,光電流的單位取安培,帶入上式可算出在不同輸出短路電流情況下的P-IL曲線如圖2所示。由圖2可見其線性很好,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),又考慮到(RL+Rs)?Rd的情況下式(5)化簡為P=I0IL(eUd/AVT?1)=I0IL(eIL(Rs+RL)/AVT?1)(7)由式(7)可得,在RL不為零時(shí),隨著RL的增大P值增大,線性變壞。分別取RL=100Ω,1kΩ,則在其他條件不變的情況下所得的P-IL曲線如圖3所示。4韓光誠的噪聲特性分析4.1變化引起的噪聲散粒噪聲是由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pn結(jié)的電流,q為電子電荷,則散粒噪聲Inp可表示為Inp=(2qIpΔf)1/2(8)4.2硅光電電極的噪聲特性熱噪聲是由自由電子在電阻材料中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的,可表示為Vd=(4kTRdΔf)1/2(9)式中:k為玻爾茲曼常數(shù),T為絕對溫度,Rd是硅光電二極管的內(nèi)阻,所產(chǎn)生的熱噪聲電流為Ind=(4kTΔf/Rd)1/2(10)由式(8)、(10)可得硅光電二極管本身產(chǎn)生的總噪聲電流為In=(I2np+I2nd)1/2=(2qIpΔf+4kTΔf/Rd)1/2(11)其信噪比為RS?N=Ip/In=Ip/(2qIpΔf+4kTΔf/Rd)1/2(12)由式(12)可見,對于內(nèi)阻大的硅光電二極管,其噪聲電流要小一些,因而其信噪比較高。信噪比體現(xiàn)了檢測的靈敏度,信噪比越高,測量的精度就越高。4.3光電檢測電路噪聲用硅光電二極管組成的光電檢測電路的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)算放大器構(gòu)成電流電壓轉(zhuǎn)換器的辦法來滿足這一要求,如圖4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)算放大器的開環(huán)增益A?1×106,則輸入阻抗Rin≈0。這一方面可提高硅光電二極管測量的線性,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4可畫出光電檢測電路的噪聲模型如圖5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,I2ns=2qIsΔf,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;E2nf=(4kTΔfRf)1/2為反饋電阻Rf所產(chǎn)生的熱噪聲電壓,In、En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電壓,En0為放大器等效輸出噪聲電壓,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。根據(jù)圖5可寫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+I2nΔf+E2nΔf(1Rd+1Rf)2(13)則光電檢測電路信噪比RS,N=IsIni=Is/[2qIsΔf+4kT(1Rd+1Rf)+I2n+E2n(1Rd+1Rf)2]1/2Δf???√(14)以集成運(yùn)算放大器AD849、硅光電二極管2CUGS為例,硅光電二極管在無偏壓方式下,電路參數(shù)Is=1×10-7A;Rd=10MΩ;Δf=106Hz;In=1.5pA;En=3.0nV。利用式(14)可作出光電檢測電路信噪比與反饋電阻Rf的關(guān)系,如圖6。結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析可知,在Rf?1×106Ω的范圍內(nèi),隨著反饋電阻Rf的增大,電路輸出信噪比明顯增大。5等效輸入噪聲從以上分析及實(shí)驗(yàn)對比可知,光電檢測電路信噪比主要與以下幾個(gè)方面的因素有關(guān):首先是光電二極管的暗電流,檢測電路若采用負(fù)偏壓方式,光電二極管的結(jié)電容較小,頻率響應(yīng)特性較好,但暗電流較大,由此產(chǎn)生的熱噪聲加大。為此,在檢測電路對噪聲要求較高的情況下,應(yīng)采用無偏壓電路,以減小暗電流產(chǎn)生的熱噪聲。其次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的選擇,Rd的大小取決于二極管的選擇,適當(dāng)?shù)靥岣叻答侂娮鑂f阻值,既有利