偏压光电探测器实验观测

2023-02-16 09:09:14, 韵翔光电江阴韵翔光电技术有限公司

偏压光电探测器实验观测

暗电流与温度或反向偏压的函数关系

以下是几种已封装光电探测器暗电流与温度、暗电流与反向偏压函数关系的测量结果。和以下章节中的描述一样，暗电流是指当没有光入射到探测器上时p-n结光电探测器中相对较小的电流。对于有些应用，可能需要考虑温度波动和/或反向偏压变化时暗电流的变化。由于电池消耗会导致提供的电压降低，如果使用电池给光电二极管提供反向偏压，反向偏压与暗电流水平之间的关系值得探讨。

在温度从10 °C到50 °C变化时，对硅(Si)、锗(Ge)和砷化铟镓(InGaAs)反向偏压光电二极管进行了一组测量；在温度保持24 °C，反向偏压从0到10 V变化时，对相同的探测器进行另一组测量。请

p-n结光电二极管的电流-电压特征

p-n结光电二极管的电流-电压关系特征分为正向偏压和反向偏压。p-n结光电二极管在反向偏压状态下工作时，施加在二极管上的电位差抑制电流。有些已封装光电二极管有一个很方便的特性，即插入封装的电池可以提供反向偏压。理想情况下，如果没有光入射在反向偏压的光电二极管上，就没有电流。

但现实情况是，光电二极管半导体材料中的随机过程总会产生载流子(电子和空穴)，从而产生电流。这些电流产生的过程并不是由电子和空穴产生的光驱动的，而主要由半导体材料内的热能驱动[1]。暗电流通常很小，但当光电二极管处于反向偏置状态，且不被照射时就会存在。对于不同材料成分的光电二极管，暗电流大小也不同；热产生过程的效率取决于探测器传感头中所用半导体的类型和晶体质量。随着光电二极管温度的升高，以及施加给光电二极管的反向偏压升高，暗电流也会增大。

需要注意的是，如果反向偏压升高到超过某一阈值，光电二极管会受到反向击穿，即电流大小呈指数增大，有可能对二极管造成永久性损伤。因此，Thorlabs的许多DET封装都包含一个电压调节器，以防偏压达到击穿二极管的程度。

光电二极管被光照射时，入射光产生的电流会添加到暗电流。入射光的光子能量会产生光电流中的载流子。超过某一照明阈值强度，光电流的大小就会超过暗电流的大小。光电流大于暗电流时，通过测量总电流，然后减去其中的暗电流，就可以算出光电流的大小了。当光电流小于暗电流时，无法探测到光电流。因此，需要尽量减小光电二极管中暗电流的大小。

暗电流与温度的函数关系

在10 °C到50 °C下，测量三种具有代表性的已封装光电二极管的暗电流：硅基DET100A(旧版产品)、锗基DET50B(旧版产品)和铟镓砷DET10C(旧版产品)。

实验装置

实验装置要确保整个光电二极管有恒定的反向偏压，控制探测器的温度，阻挡照射探测器的光，在探测器与Keithley 6487电流表之间建立电路，将测量的电流与外部电磁干扰(EMI)噪声源隔离。这些探测器的暗电流可能为nA的数量级，因此，控制这些条件对确保测量准确十分重要。

由于暗电流在某种程度上取决于反向偏压的大小，注意要确保在每次测量期间，反向偏压保持恒定。对于这些探测器，反向偏压源为电池。每次数据集采集之前，需要将探测器的A23电池换新。每次测试前和测试后也要测量电池的电压，以确保偏置电压在测量期间保持恒定。

实验期间，使用热敏电阻持续监测每个光电二极管的温度。使用一段导热胶带使热敏电阻与TO封装的外壳保持接触。热敏电阻放置好后，就不能用探测器盖挡住照射光电二极管的光了。

探测器外壳由两个嵌套的铝盒组成，如图1所示，盖子已经移除。只用一个盒子可以给光电二极管形成遮光环境，但装置的外盒能为内盒提供EMI相关噪声的屏蔽。探测器放置在内盒中，其配有BNC-triax转接馈通；从盒子内部可以操作BNC端，从盒子外部可以操作triax端。探测器上的BNC接头直接连接到转接馈通的BNC端，无需使用BNC电线，这点很有好处。BNC电缆屏蔽差，使用时会把EMI源的噪声引入从探测器读取的信号。金属内盒放置在金属外盒中，其包含triax-triax馈通。使用一根三同轴电缆连接内盒和外盒之间的馈通，传输探测器信号。使用一根三同轴电缆连接Keithly 6487电流表和位于外盒外部的triax-triax馈通的末端。金属外盒给金属内盒提供EMI屏蔽，而三同轴电缆给探测器信号提供EMI屏蔽。分别用各自的盖子盖好后，将该嵌套盒放置在ESPEC ESX-3CW温控炉中。电流表放在温控炉外面。

热敏电阻和TSP01温度记录仪的电连接通过使用BNC电线、BNC-BNC馈通将信号传输到嵌套盒的外面，用一根定制BNC-phono插头电线连接到温度记录仪。

图1：嵌套金属盒测试夹具，盖已拆除，且装有DET10C 两盒内部四周都有黑色绝缘泡沫。 A：铝质外盒；B：铝质内盒；C：热敏电阻；D：DET10C；E：BNC-Triax馈通；F：BNC-BNC馈通

实验结果

所测硅基DET100A、锗基DET50B和铟镓砷DET10C的暗电流数据曲线图如图2所示。温度在光电二极管指定的工作范围内：10 °C到50 °C之间时(图3阴影区域)持续采集数据。图3代表实验期间热敏电阻所测光电二极管TO封装的温度。温控炉的温度曲线特地包含了高于和低于工作范围的温度，确保测量覆盖光电二极管完整的温度工作范围。图2的数据曲线图包含了温度升高和降低时的暗电流测量结果；每种二极管的两个数据集彼此重叠。

图2的数据曲线图表明，硅基探测器的暗电流最小，锗基探测器的暗电流最大，后者电流水平高出了大约5个数量级。总而言之，正如预期一样，暗电流会随着光电二极管的温度增加而增大。每条曲线上的菱形点表示每种探测器在25 °C时指定的暗电流值。这些点规定25 °C时的最大暗电流值；每种二极管的暗电流在25 °C时必须等于或低于这个值，但温度较高时，暗电流可能会超过这个指定值，测量的DET50B探测器就是这个情况。

图2：所测三种已封装光电探测器的暗电流数据各个菱形点表示25 °C时每种探测器指定的暗电流值。

图3：环境室条件控制的代表性光电二极管的温度在10 °C到50 °C(用阴影区域表示)之间采集暗电流测量测量结果，如图2所示。

实验局限

每种探测器使用一个代表进行测量，但是这些数据用于表示一般趋势。这些数据不能看作某种二极管特定的规格。测量的暗电流与电压偏置、电阻负载的温度依赖性及其他效应具有函数关系。实验中有尽量限制其对测量的影响，包括每次测量前将每个探测器的电池换新，并使用电流表测量暗电流。使用电流表就不需要使用负载电阻，因为电阻本身就受温度影响。热敏电阻放置在离半导体传感器尽可能近的地方，但是并不直接接触传感器。因此，所测温度与半导体材料温度之间可能会有差异。在温控炉的温度持续变化时测量暗电流。不是在温度稳定条件下进行测量，而是在缓慢的温度斜坡条件下就开始测量。温度低于10 °C和高于50 °C时不会测量，温度迅速变化的影响不予考虑。该实验中没有控制湿度。

暗电流与反向偏压的函数关系

在温度为24 °C，反向偏压在0-10 V之间变化时，测量三种具有代表性的已封装光电二极管的暗电流：硅基DET100A(旧版产品)、锗基DET50B(旧版产品)和铟镓砷DET10C(旧版产品)。可以使用电池或外部电源(比如DET2B电源适配器)来提供所需的反向偏压。下面的测量结果显示了随着电池消耗，电池提供的电压降低，暗电流相应的变化。

实验装置

实验装置用于测量光电二极管暗电流与反向偏压的函数关系，同时要降低噪声源的影响。装置要控制探测器的温度，阻挡照射探测器的光，在探测器与Keithley 6487电流表之间建立电路，将测量的电流与外部电磁干扰(EMI)噪声源隔离。这些探测器的暗电流可能为nA的数量级，因此，控制这些条件对确保测量准确十分重要。

探测器外壳由两个嵌套的铝盒组成，盖子已经移除，如图1所示。只用一个盒子可以给光电二极管形成遮光环境，但装置的外盒能为内盒屏蔽EMI相关噪声。探测器放置在内盒中，使用BNC和BNC-triax转接馈通可以进行电连接。

探测器的测量信号会通过BNC-triax转接馈通。探测器上的BNC接头直接连接到转接馈通的BNC端，无需使用BNC电线，这点很有好处。BNC电缆屏蔽差，使用时会把EMI源的噪声引入从探测器读取的信号。金属内盒放置在金属外盒中，其包含triax-triax馈通。使用一根三同轴电缆连接内盒和外盒之间的馈通，传输探测器信号。使用一根三同轴电缆连接Keithly 6487电流表和位于外盒外部的triax-triax馈通的末端。金属外盒给金属内盒提供EMI屏蔽，而三同轴电缆给探测器信号提供EMI屏蔽。分别用各自的盖子盖好后，将该嵌套盒放置在ESPEC ESX-3CW温控炉中。电流表放在温控炉外面。

DET1B(上一代产品，替代型号为DET2B)包含电源和电源适配器，可以插入DET系列探测器的电池端口，用于提供反向偏压，电压会通过BNC馈通。电源适配器插入探测器，适配器的另一端连接到内盒上的BNC馈通。使用BNC电线和另一条馈通可以将电连接扩展到外盒之外，从此处连接Keithley 6487的电压输出。Keithley连接计算机，允许计算机同时控制偏压并测量暗电流。

由于暗电流在很大程度上取决于温度，因此实验期间使用热敏电阻持续监测每个光电二极管的温度。使用一段导热胶带使热敏电阻与TO封装的外表面接触。热敏电阻放置好后，就不能用探测器盖挡住照射光电二极管的光了。热敏电阻和TSP01温度记录仪的电连接通过使用BNC电线、BNC-BNC馈通将信号传输到嵌套盒的外面，用一根定制BNC-phono插头电线连接到温度记录仪。

图 1：嵌套金属盒测试夹具，盖已拆除，且装有DET10C 两盒内部四周都有黑色绝缘泡沫。 A：铝质外盒；B：铝质内盒；C：热敏电阻；D：DET10C；E：DET1B电源的电源适配器；F：用于DET1B的BNC-BNC馈通；G：用于探测器信号的BNC-Triax馈通；H：用于热敏电阻的BNC-BNC馈通

实验结果

所测硅基DET100A、锗基DET50B和铟镓砷DET10C的暗电流数据曲线图如图2到4所示。

硅基DET100A不包含集成的电压调节器，而锗基DET50B和铟镓砷DET10C都包含电压调节器。集成在光电二极管中的电压调节器用于维持光电二极管稳定的反向偏压。

一般而言，很多应用中使用电压调节器是为了自动维持稳定的电压水平：只要电压输入处于指定的范围之内，调节器确保输出电压水平基本恒定。当输入电压降低到低于电压调节器的压差时，即调节范围的下限，调节器就不能再调节输出电压了。输入电压从压差电压值继续降低时，输出电压会降低，直到达到电压阈值，这时，调节器就不起作用了。在此关闭状态，输出电压可忽略不计。对于锗基DET50B和铟镓砷DET10C，电压调节器用于给光电二极管提供反向偏压。

硅基DET100A由于不包含电压调节器，在Keithley 6487提供的电压升高时，所测的暗电流也持续增大，如图2所示。所测DET100A的暗电流大小首先呈指数增大，直到反向偏压达到0.5 V；当反向偏压在约0.5 V-10 V之间时，暗电流呈线性增大。新电池提供的电压≥10 V。

图3中显示的锗基DET50B和图4中显示的铟镓砷DET10C直到反向偏压达到阈值(DET50B的阈值约为1 V，DET10C的阈值约为1.5 V)时才有暗电流。电压范围在此阈值下时，电压调节器处于关闭状态。超过该阈值，所测这些探测器的暗电流几乎呈指数增大，直到Keithley 6487提供的电压达到压差电压5.5 V。提供的电压在 5.5 V-10 V之间时，电压调节器给光电二极管维持恒定的5.5 V反向偏压，从而在这个范围之内产生几乎恒定的暗电流值。由于新电池会提供≥10 V的电压，电压调节器能够在电池的大部分使用寿命内确保暗电流水平基本恒定，而且保护光电二极管处于超出的反向偏压之下。

图2：硅基DET100A光电二极管(不包含电压调节器)的暗电流测量数据，图中显示了其与Keithley 6487所供电压的函数关系。

图3：锗基DET50B光电二极管(包含电压调节器)的暗电流测量数据，图中显示了其与Keithley 6487所供电压的函数关系。

图4：铟镓砷DET10C光电二极管(包含电压调节器)的暗电流测量数据，图中显示了其与Keithley 6487所供电压的函数关系。

实验局限

每种探测器使用一个代表进行测量，但是这些数据用于表示一般趋势。这些数据不能看作某种二极管特定的规格。测量的暗电流与电压偏置、电阻负载的温度依赖性及其他效应具有函数关系。实验中有尽量限制其对测量的影响，包括在温控环境进行测量，并使用电流表测量暗电流。使用电流表就不需要使用负载电阻，因为电阻本身就受温度影响。该实验中没有控制湿度。