光电二极管和光电导探测器教程

图1：光电二极管模型

响应度
光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(I_PD)和入射光功率(P)之比：

工作模式(光导模式和光伏模式)
光电二极管具有两种工作模式：光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择取决于应用中的速度要求和可容许的暗电流(漏电流)大小。

光导模式
光导模式时，光电二极管被施加外部反向偏压，这是我们DET系列探测器的基础。电路中测得的电流代表器件接受到的光照；测量的输出电流与输入光功率成正比。施加反向偏压使得耗尽区的宽度增大，从而使响应度增加，结电容变小，并产生相当线性的响应度。在这些条件下工作容易产生较大的暗电流，但根据光电二极管的材料可限制其大小。(注: 我们的DET器件都是反向偏置的，不能在正向偏压下工作。)

光伏模式
光伏模式时，光电二极管为零偏置。器件的电流流动受到限制，形成电压。这种工作模式利用了光伏效应，它是太阳能电池的基础。当在光伏模式下工作时，暗电流可保持最小。

暗电流
暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流。在光导模式工作时，容易出现更高的暗电流，并与温度直接相关。温度每升高10 °C，暗电流几乎增加一倍，并且温度每增加6 °C，并联电阻增大一倍。显然，施加较大的偏压会降低结电容，但也会增加当前暗电流的大小。

当前暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响。与具有高暗电流的锗器件相比，硅器件的暗电流通常较小。下表给出了几种光电二极管材料及它们的相关暗电流、速度、响应波段和成本。

结电容
结电容(C_j)是光电二极管的一个重要性能，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积大的二极管结体积也越大，同时具有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，可有效地减小结电容，并增大响应速度。

带宽和响应
负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应，应将50 Ω的终端与50 Ω的同轴电缆一起使用。带宽(f_BW)和上升时间响应(t_r)可以近似用结电容(C_j)和负载电阻(R_load)表示：

噪声等效功率
噪声等效功率(NEP)是信噪比等于1时产生的RMS信号电压。NEP非常有用，因为它决定了探测器探测弱光的能力。通常，NEP随着探测器的有源区而增大，并由下式表示：

其中，S/N是信噪比，Δf是噪声带宽，入射能量的单位是W/cm²。关于NEP的更多信息，请查看Thorlabs的噪声等效功率白皮书。

终端电阻
使用负载电阻将光电流转换为电压(V_OUT)以便在示波器上显示：

根据光电二极管的类型，负载电阻会影响响应速度。为达到最大带宽，我们建议使用50 Ω同轴电缆，并在另一端使用50 Ω终端电阻。因其与电缆的本征阻抗相匹配，可最小化谐振。不考虑带宽时，可增大负载电阻(R_load)，从而增大给定光功率下的光电压。终端不匹配时，同轴电缆的长度对响应的影响很大，所以我们建议电缆越短越好。

并联电阻
并联电阻表示零偏压下光电二极管的结电阻。理想的光电二极管具有无限大的并联电阻，但实际值可能从十欧姆到几千兆欧不等，这与光电二极管的材料有关。例如，InGaAs探测器的并联电阻在10 MΩ量级，而Ge探测器的并联电阻在kΩ量级。这会严重影响光电二极管的噪声电流。然而，在大部分应用中，大电阻的影响很小，因而可以忽略。

串联电阻
串联电阻是半导体材料的电阻，这种小电阻通常可以忽略。串联电阻来自于光电二极管的触点和线接头，通常用来确定光电二极管在零偏压下的线性度。

图2：反向偏压电路(DET系列探测器)

DET系列探测器具有如上所示的电路模型。探测器通过反向偏置以对输入光产生线性响应。光电流的大小基于入射光和波长，通过在输出端加一个负载电阻就可以在示波器查看。RC滤波电路的作用是滤掉输入电源的高频噪声，这些噪声可能会导致输出噪声。

图3：带放大的探测器电路

也可以用光电探测器加放大器来实现高增益。用户可以选择是否在光伏或光导模式下工作。使用这个有源电路有几个优势：

• 光伏模式：由于运算放大器A点电势和B点电势相等，因而光电二极管两端的电势差为零伏。这样消除了暗电流的可能。

• 光导模式：光电二极管反向偏置，从而增大了带宽并降低了结电容。探测器的增益与反馈元件(R_f)有关。探测器的带宽可用下式计算：

其中GBP是放大器增益带宽积，C_D是结电容和放大器电容之和。

光导体信号将保持不变，直到时间常数响应极限为止。许多探测器(包括PbS、PbSe、HgCdTe(MCT)和InAsSb探测器具有1/f的典型噪声频谱(即，噪声随着斩波频率增大而减小)，这对低频时的时间常数具有较大影响。

探测器在较低斩波频率下会表现出较低响应度。频率响应和探测率对于下式可最大化

对于光电导材料，入射光会引起有源区载流子的数量增大，这样一来就减小了探测器的电阻。这种电阻的改变导致了测量电压的变化，因此，光灵敏度可以用伏特/瓦为单位表示。右图例举了一个工作电路的例子。请注意，我们不推荐在实际应用中使用图中的电路，因为该电路为产生低频噪声。

探测机制是基于有源区薄膜的导电特性。在没有入射光照射时探测器的输出信号可以由下式定义：

当入射光照射在有源区时，探测器电阻值的变化ΔR_Dark会导致电压的变化ΔV_OUT：

频率响应
光电导体必须与一个脉冲信号一起使用才能获得AC信号。因此，这些探测器在探测CW光时应该使用一个光学斩波器。当使用一个斩波器时，探测器的响应（R_f）可以用下式计算：

其中，f_c 为斩波频率，R₀ 为0Hz时的响应，τ_r 为探测器的上升时间。

斩波频率的影响由于时间常数响应的限制，光电导体信号将保持恒定。PbS和PbSe探测器具有一个典型的1/f噪声谱（即，噪声随着斩波频率的增大而减小），在低频时对时间常数具有重大影响。

这些探测器在低斩波频率时具有较低的响应。频率响应和探测率可以由以下条件最大化

每个探测器的信号与斩波频率关系的特性曲线可以在操作手册的第四章中查询。

温度考虑
这些探测器中包含一块玻璃基底，上面有一层薄膜。根据工作条件的不同，光电导表面的有效面形有源区域会有所不同，这样一来，对其进行改变就能使性能特性发生变化。特别地，探测器的响应会根据工作温度的变化而变化。

PbS和PbSe带隙的温度特性具有负系数，因此冷却探测器会将其光谱响应范围向低波长方向转移。为了获得最好的结果，在开在一个稳定控制的环境中操作这些光电二极管。请参看操作手册了解特定探测器的温度与灵敏度的特征曲线。

由于光电导体的噪声特性，它适合交流耦合操作。施加偏压造成的直流噪声在高偏压时将会变得非常严重，这样就会限制探测器的适用性。基于该原因，红外探测器通常采用交流耦合来限制噪声。预放大器可以帮助保持稳定性，并为生成的电流信号提供一个较大的增益。

根据下面的示意图，其中的运算放大器将会试图通过使用反馈来将A点保持在输入的B点上。这两个输入电压之间的差异经过放大后进行输出。还需要注意的是，交流耦合放大器输入的高通滤波器将会阻断任何直流信号。此外，负载电阻（R_LOAD）的阻值应该与探测器的暗电阻相等，这样才能保证可以获得最大信号。供给的电压（+V）应该处于使SNR能够接受并接近统一的水平。一些应用需要更高的电压值，这样一来，噪声将会增大。如操作手册中第四章所述，SNR与供给电压关系的特征曲线确定了最佳的操作条件。输出电压可以由下式得到：

放大器模型

信噪比
由于探测器的噪声与斩波频率成反比，在低频条件下噪声会变得很大。探测器的输出信号随着偏压的增大而线性增大，但噪声在低偏压条件下与电压值基本没有关系。在达到设定的电压值时，探测器的噪声将会随着施加的电压的增大而线性增大。在高电压水平时，噪声倾向于指数增长，这样一来就进一步降低了信噪比（SNR）。为了达到最佳的SNR值，应该将斩波频率和偏压值调整到可以接受的水平。操作手册第四章中提供了每个特定探测器SNR与斩波频率关系以及SNR与供给电压关系的特征曲线。

噪声等效功率
噪声等效功率（NEP）是在信噪比等于1时生成的RMS信号电压。该参数非常实用，因为NEP确定了探测器探测低强度光信号的能力。一般而言，NEP会随着探测器有源区的增大而增大，可以通过下式计算：

其中，S/N为信噪比，Δf为噪声带宽，并且入射能量的单位为W/cm²。

暗电阻
按电阻是探测器在无光照时电阻的阻值。需要注意的是，按电阻会随着温度变化而增大或减小。冷却探测器将会增大按电阻。操作手册中第四章给出了每个特定探测器的暗电阻与温度关系的特性曲线。

探测率（D）和 比探测率（D*）
探测率（D）是评估光电探测器性能的另一个标准。探测率表征了灵敏度，是NEP的倒数。

更高的探测率表示更高的灵敏度，可以使探测器更适合探测低强度的光信号。探测率随着入射光子的波长变化而变化。

探测器的有源区决定了探测器的NEP，同时还从本质上影响探测率。这样一来，要从本质上比较两个探测器是非常困难的。为了消除这种差异，我们使用比探测率（D*）来评估光电探测器的性能，它与探测器区域无关。