硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究_付文羽
光电二极管的工作原理与应用实践
光电二极管的工作原理与应用实践光电二极管（Photodiode）是一种能够将光能转化为电能的半导体器件。
它的工作原理基于PN结的特性，利用光电效应将光能转化为电能，广泛应用于光通信、光传感、光谱分析等领域。
本文将从光电二极管的结构、原理和应用三个方面来介绍光电二极管的工作原理与实践应用。
一、光电二极管的结构光电二极管通常由PN结和金属外壳组成。
PN结是将P型半导体和N型半导体连接而成，有一定的电阻，光照射在PN结处，使得PN结的电阻值发生变化，产生光电流。
外壳则用来隔离环境光的影响，以及连接电路和调节光电二极管的参数。
二、光电二极管的工作原理光电二极管的工作原理是基于光电效应。
光电效应是指光能量对物质的电子产生激发和运动的过程。
当某个物质受到光线照射后，它的电子将从低势能级跃迁到高势能级。
当光入射在PN结处时，由于PN结的导电特征，光电子将在PN结内产生电子空穴对，即光生载流子，并且在PN结内电场的作用下向各自极移动，在PN结的外电路上就会产生光电流。
三、光电二极管的应用实践光电二极管在光通信、光传感、光谱分析等领域有着广泛的应用。
其中，光通信是光电二极管的一个主要应用领域。
光通信是一种利用光作为信息传输的技术，而光电二极管则是光通信技术中最重要的组成部分之一。
在光通信系统中，光电二极管接受光信号并将其转化为电信号，从而完成信息的传输。
光电二极管在光传感的应用也很广泛。
光传感技术是指利用光学原理来检测物理、化学和生物量等参数的一种测量技术。
光电二极管可以用来检测光强度，颜色、时间及空间分布等参数，尤其适用于对微型、高灵敏度、高速度的检测系统。
光电二极管还广泛应用于生命科学中的光谱分析。
光谱分析是一种利用光零件的特性对样品进行分析的技术，且被广泛应用于生物分子的结构和功能研究中。
光电二极管作为光谱仪中的宽灵敏度检测器，可测量被样品溶液吸收的光强度，从而可以分析样品的成分和浓度。
总结光电二极管作为一种光电转换器件，可以将光能转化为电能，被广泛应用于光通信、光传感、光谱分析等领域。
硅光电二极管 电路
硅光电二极管电路硅光电二极管是一种常用的光电转换器件，具有广泛的应用领域。
本文将分享有关硅光电二极管的基本原理、工作原理、特性及其应用。
硅光电二极管是一种基于硅材料制备的光电转换器件。
硅材料具有良好的光电特性，因此能够将光信号转化为电信号，从而实现信息的检测和处理。
硅光电二极管通常由PN结构组成，其中P区富含正电荷，N区富含负电荷。
在工作原理方面，当光线照射到硅光电二极管的PN结上时，光子能量会激发硅材料中的电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。
这些电子-空穴对在电场的作用下会形成光生载流子，最终形成电流输出。
由于光子能量与光子频率成正比，因此硅光电二极管对特定波长的光线具有较高的灵敏度。
硅光电二极管具有多种特性，首先是宽波长响应范围。
由于硅材料对于不同波长的光线都有较高的吸收能力，硅光电二极管能够检测到从红外到紫外等广泛光谱范围内的光信号。
其次，硅光电二极管具有快速的响应速度。
由于硅材料具有较高的载流子迁移速度，硅光电二极管的响应速度较快，能够适应高速光信号的检测需求。
此外，硅光电二极管还具有较低的暗电流和噪声，从而提高了信号的检测精度。
硅光电二极管在众多领域具有重要的应用价值。
例如，光通信领域中，硅光电二极管常被用于接收和检测光信号，实现光信号的高速传输。
此外，在光电检测领域，硅光电二极管广泛应用于光谱分析、气体检测及光电子学等领域，实现对光信号的定量测量和分析。
此外，硅光电二极管还可以应用于生物医学领域，用于实现光疗、荧光检测及细胞成像等应用。
总之，硅光电二极管作为一种重要的光电转换器件，在各个领域都有广泛的应用。
其基本原理、工作原理、特性以及应用领域的介绍，将有助于我们更好地理解和应用硅光电二极管。
硅PIN光电二极管探测系统的研究
第28卷 第2期核电子学与探测技术Vol.28 No.22008年 3月Nuclear Electr onics &Detection T echnologyMar ch 2008硅PIN 光电二极管探测系统的研究张燕,曾光宇,洪志刚(中北大学,信息工程系,山西太原 030051)摘要:本文主要研究了基于PIN 光电二极管与CsI (T l)晶体的C 射线辐射探测器,给出了电流放大型和电压放大型的原理图以及制板图,并对其性能做了简单分析。
关键词:P IN 光电二极管CsI (Tl)晶体C 射线电荷灵敏前置放大器中图分类号: T L8 文献标识码: A 文章编号: 025820934(2008)022*******收稿日期:2006206209作者简介:张燕,女,(1981.4)),山西运城人,中北大学信息与通信学院(信息工程系)2004级在读硕士研究生,研究专业:信号与信息处理随着原子核科学的发展,越来越需要对核辐射和原子核所携带的信息进行测量和分析研究。
通常,人们采用各种核辐射探测器来接收和传递信息,并把它转换成电信号,进而用计算机来处理和研究这些信号。
虽然近年来,核辐射探测器的发展种类较多,但就小型化的个人剂量仪器来说,目前国内的研究和开发相对滞后,在核电站、核矿山等辐射环境下采用的个人剂量仪器许多是于国外进口。
本文主要对采用CsI 闪烁晶体和PIN 硅光电二极管耦合作为C 射线的接收探头的技术进行研究,并论证该技术的可行性,为日后的小型化核辐射探测系统的研究做准备。
1 PIN 光电二极管探测器的结构111 探测系统核信息测量系统通常由核辐射探测器和核电子学测量系统两部分组成。
我们拟采用的测量系统如图1所示,其虚线框(1)为闪烁体和光电二极管耦合组成的核辐射探测器,用于接收13755Cs 放射源发出的C 射线,闪烁体采用CsI(T l)晶体将C 射线激发产生的荧光传递给光电二极管(S3590型),从而完成高能量的C 光子转变为可为光电二极管接受的低能量的荧光(可见光),完成光电能的转换,向后级电路输出相应的电子信号;虚线框(2)为核电子学测量系统,一般的电子学测量系统包括模拟信号获取或处理,模数变换以及数据量的获取和处理等三部分,由于本课题研究的重点为前置放大器,因此我们对此做了相应的简化,前置放大器主要将光电二极管的电压(或电流)信号加以放大,以满足信号传输的需要,以计算机为核心的处理系统是信号的主处理系统,对预放大后的信号进行分析和处理。
硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究_付文羽
第20卷 第5期 许昌师专学报 Vol.20.No.5 2001年9月 JOURNAL OF XUCHANG TE AC HERS C OLLE GE Sep.,2001文章编号:1000-9949-(2001)05-0019-04硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究付文羽,彭世林(庆阳师范高等专科学校物理系,甘肃西峰745000) 摘 要:分析了光电检测时硅光电二极管线性响应及噪声特性,给出了硅光电二极管的线性度及信噪比公式,并结合噪声E n—I n模型[1],对光电二极管用于光电检测时影响电路信噪比的因素进行了探讨.关键词:光电检测;信噪比;噪声模型中图分类号:TN710.2 文献标识码:A0 引言硅光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中,尤其在激光通讯测量中,通常要测量微瓦以下的光信号,就更离不开硅光电二极管.质量好的硅光二极管用于激光功率测量时,测量下限可达10-8W,分辨率可达10-12W.在许多场合,光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号,其特点是:单一频率或包含着丰富的频率分量的交变信号,当信号很微弱时,由于背景噪声和电路热噪声的影响,还需要对信号进行低噪声处理、放大.因此,在交变光电信号作用下,怎样正确选择硅光电二极管的参数,以获得最小非线性失真信号及信号检测的灵敏度就成为人们所关心的问题.1 硅光电二极管的基本结构及等效电路光电二极管是一种光电转换器件,其基本原理是当光照射在P—N结上时,被吸收的光能转变为电能,这是一个吸收过程,与发光二极管的自发辐射和激光二极管的受激幅射过程相逆.P—N型硅光电二极管是最基本和应用最广的管子.基本结构如图1所示,它是在N型硅单晶片的上表面扩散一薄层P型杂质,形成P+型扩散层.由于扩散,在P+区和N型区形成一个P+N结.P+区是透明的,光子可以通过P+区到达PN结区产生光电子.在N型硅单晶下表面扩散N型杂质以形成高浓度的N+扩散区,以便给金属电极提供良好的电接触.另一种常用的硅光电二极管是P—I—N型硅光电二极管,其结构同P—N型类似.位于P层和N层之间的耗尽层由本征半导体构成,可以提供一个较大的耗尽深度和较小的电容,适合于反向偏压工作.硅光电二极管的等效电路如图2所示,图中I s为电流源,它是硅光电二极管接收辐射后所产生的光电流I p和暗电流I d以及噪声电流I n之和,即:图1 平面扩散型PN结光电二极管结构图图2 硅光电二极管等效电路收稿日期:2001-03-19作者简介:付文羽(1963-),男,甘肃宁县人,庆阳师专物理系讲师,工程硕士,主要从事光电检测与传感技术应用研究. 20许昌师专学报2001年9月 I s =I p +I d +I n(1)质量好的管子,噪声电流很小,可以忽略.暗电流本身并不影响硅光电二极管对信号的测量,在测量电路中可通过调零消除.但暗电流是温度的函数,在室温下,温度每增高一倍,暗电流要提高十倍[2],因此,暗流引起的噪声要影响到硅光电二极管探测的灵敏度.同时,暗电流也同硅光电二极管应用时所加偏压有关,偏压越高,暗电流越大;面积越大,暗电流越大.在忽略暗电流和噪声电流的影响时,可以近似认为I s ≈I p(2)R s 是串联电阻,由接触电阻、未耗尽层材料的体电阻所组成,C d 是结电容,R s 、C d 的大小同管子尺寸、结构和偏压有关,偏压越大,R s 、C d 越小,R d 是硅光电二极管的并联电阻,由硅光电二极管耗尽层电阻和漏电阻所构成.它也是随温度的变化而变化的,与管子尺寸有关.结面积越小,R d 越大.温度越高,R d 越小.D 为PN 结等效二极管,R L 为负载电阻,C L 为负载电容.2 硅光电二极管的线性响应与负载电阻的关系在光电检测电路中当检测信号是缓变信号时,电容C d 、C L 的影响忽略不计,此时,由图2硅光电二极管的等效电路可知,通过等效二极管D 的电流为I d =I 0e qU d /A kT =I 0e q U d /A V T -1(3)(3)式中I 0是光电二极管的反向饱和电流,q 是电子电量,k 是波尔兹曼常数,U d 是加在硅光电二极管上的电压,常数A 对于硅材料而言[3],A ≈2,V T =kT /2,流过负载上的电流I L 为I L =I p -I d -I Rd =I p -I 0e I L (R S +R L )/AV T -1-U d R d =I p -I 0e I L (R s +R L )/A V T-1-I L (R s +R L )R d(4)由(4)式可知,硅光电二极管接受激光辐射时,输出的负载电流并非线性关系,而是指数关系.在输出短路的情况下,由于R s R L ,则(4)式变为I L =I p -I 0e I L R L /AV T -1(5)如果二极管的向饱和电流很小,而输出电流不大,即保持I s R L A V T ,可得到I L ≈I p ,即输出电流近似等于光电流,也就是线性好.因此,硅光电二极管进行激光测量时要选取R f 大、R s 小、I 0小的二极管,并在输出短路状态下工作.下面推导硅光电二极管的线性公式:设硅光电二极管的线性偏差为P =(I p -I L )/I L ,将(5)式代入得 P =I p -I L I L =I p -(I p -I d -I Rd )I L =I d +I Rd I L =I 0e I L (R s +R L )/AV T-1+(R s +R L )·I L /R d I L =I 0e U d /AV T -1+U d /R dI L(6)由(6)式可以定性看出R s 越小,R d 越大,I 0越小时,线性P 值越小,即线性好.在负载短路状态下,R L =0,一般R S R d ,故(6)式可简化为图3 2CU GS 型硅光电二极管短路状态下线性偏差I L —P 曲线P =I 0I L=e I L ·R s /AV T -1(7) 由(7)式可见:只要I 0和R s 值很小,则线性偏差值很小,即线性好.对于2CUGS 型硅光电二极管,其暗电流I 0=2.1nA ,串联电阻R s =10Ψ,常数A =2,在常温下计算得1/AV T ≈20(1/V ).带入(7)式可得不同输出短路电流情况下的I L —P 曲线.如图3所示.由图3可见其线性很好,但输出电流I L 1mA 时,P 值增加很快,硅光二极管的线性变差.当RL ≠0时,又考虑(R L +R s ) R d 的情况下,(6)式化简为P =I 0I L e U /AV T =I 0I Le I L R s /A V T -1(8) 第20卷第5期付文羽等:硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究21 由(8)式可得,在I L 不为零时,随着R L 的增大P 值增大,线性变坏.若取R =100Ψ,1k Ψ,则在其它条件不变的情况下所得的I L —P 曲线如图4所示图4 不同R L 值时2CUGS 型硅光电二极管线性偏差I L —P 曲线3 硅光电二极管噪声特性分析3.1 散粒噪声由PN 结中随机电流产生的,即PN 结载流子运动的随机变化所引起的噪声.它与频率无关,属于白噪声.设Δf 为光电二极管工作的频带宽度,I s ≈I p 为通过PN 结的电流,q 为电子电荷,则散粒噪声I np 的数值可表示为I np =(2qI p Δf )12(9)3.2 热噪声热噪声是由自由电子在电阻材料中随机运行所产生的,其值为V d =(4kTR d Δf )12(10)式中k 为玻尔兹曼常数,T 为绝对温度,R d 是硅光电二极管的内阻,所产生的热噪声电流值为I nd =(4kTR d Δf /R d )12(11)由(9)、(10)式可得硅光电二极管本身产生的总噪声电流为I 2n =(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )12(12)其信噪比为S /N =I p /I n =I p /(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )12(13)由(13)式可见,对于内阻大的硅光电二极管,其噪声电流要小一些.表1列出了不同光电流下两种噪声电流的比较.表1 2CUGS 型硅光电二极管噪声的理论计算值 (R d =10M Ψ,Δf =1MHz )I p (A )10-1010-910-810-710-610-510-4I np (A )5.6×10-151.7×10-145.6×10-131.7×10-135.6×10-121.7×10-125.6×10-11I nd (A )2.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-15S /N1.8×1045.9×1041.8×1045.9×1041.8×1045.9×1041.8×104 由表可看出,当光电流大于10-10A 时散粒噪声随着电流的增加而显著地变大.因此,在光电检测电路中,减小光电二极管的散粒噪声就成了主要问题.3.3 影响硅光电二极管输出电路信噪比的因素用硅光电二极管组成的光电检测电路,信噪比除了与选用的二极管的性能和偏压方式有关之外,还与输入电路的元件参数有关.如果考虑到测量时的线性,必须保证负载阻抗为零.因此,常用低噪声运算放大器接成电流电压转换器的办法来满足这一要求.如图5所示.由于负反馈运算放大器的等效输入阻抗为R in =R f /(1+A ),其中A 为运算放大器的开环增益,R f 为放大器的反馈电阻.一般而言,运算放大器的开 22许昌师专学报2001年9月图5 硅光电二极管运算放大器组合电路图6 硅光电二极管组成的光电检测电路噪声模型环增益大于A 106,则输入阻抗R ni ≈0.一方面可提高硅光电二极管测量的线性,另一方面因光电二极管工作区域接近短路状态,电路可获得最小噪声系数[4].由图5可画出光电检测电路的噪声模型如图6所示,图中I s 为光电二极管的光电流,I ns 为光电二极管的散粒噪声电流,R d 为光电二极管的内阻,I nd 为内阻产生的热噪声电流,C d 为光电二极管结电容,C 0为电路的布线电容;E fn =(4kt ΔfR f )12为反馈电阻R f 所产生的热噪声电压,E n 、I n 分别为运算放大器的等效噪声电流和电压,r i 为运算放大器的输入阻抗,V i 为放大器输入端信号电压值,E n 0为放大器等效输出噪声电压值,I ni 为各噪声电源在放大器输入端产生的等效输入噪声电流值.根据图6可写出各噪声电源在输入端产生的等效噪声电流为I 2ni=2qI s Δf +4kT 1R d +1R f Δf +I 2n +E 2n Δf 1R d +1R f2(14)则光电检测电路信噪比S /N =I s I ni =I s /2qI s +4kT 1R d +1R f+I 2n +E 2n1R d +1R f 212·Δf (15)从(15)式可知,光电检测电路信噪比主要与以下几个方面的因素有关:首先是输入回路中光电二极管的内阻R d 和放大器的反馈电阻R f ,R d 的大小取决于二极管的选择,适当地提高反馈电阻R f 阻值,既有利于信噪比的改善,也提高了电流、电压转换的转换系数.其次是集成运算放大器的等效输入噪声电流、电压及失调电压和失调电流的影响.等效输入噪声电流中产生的噪声电流是总噪声电流的主要部分.失调电压和失调电流,其值随温度漂移,虽然失调电压和失调电流在电路调整时能加以补偿,但是漂移的影响将在电路的输入端造成噪声.所以,选择失调电压和失调电流较低、噪声性能更优的集成运算放大器是至关重要的.参 考 文 献[1] 张广发.电路噪声计算与测量(上、下册)[M ].长沙:国防科技大学出版社,1994.[2] 郭正强,等.有关光电二极管用作激光功率测量中几个问题的考虑[J ].激光与光学,1986,(1):8-10.[3] 梁万国,等.光电探测器的设计[J ].半导体光电,1998,(19):51-55.[4] 王正清,等.光电探测技术[M ].北京:电子工业出版社,1994.161.责任编校:陈新华Applied Research of Si -photodiodes in Photoelectric Detective CircuitFU Wen -yu ,PENG Shi -lin(Department of Physics ,Qingyang Teache rs College ,Xifeng 745000,China ) A bstract :The linear response and noise performance of Si -photodiodes are analyzed in photoeletric detection .And with a noise E n -I n model ,the factors are discussed which influence signal -noise ratio of photoelectric detective circuit for Si -photodiodes .Key words :photoelectric detection ;signal -noise ratio ;noise -model责任审校:黄怡俐。
光电二极管的物理特性和应用研究
光电二极管的物理特性和应用研究光电二极管是一个重要的光电转换器件，可以将光信号转化为电信号或电信号转化为光信号。
光电二极管中的电子通过光激发来转换为电荷，形成电流输出。
光电二极管具有高响应速度、高灵敏度、小体积和低功耗等特点，是现代通信和光电领域中不可或缺的元器件之一。
光电二极管有两种类型：正向偏置和反向偏置。
正向偏置光电二极管可以输出直流电流信号，而反向偏置光电二极管则可以输出脉冲电信号。
正向偏置光电二极管是信号检测和面板照明的常见元件，而反向偏置光电二极管则主要应用于高速通信、雷达和光电计算机等领域。
在实际应用过程中，光电二极管的物理特性对其性能和应用有着很大的影响。
首先，光电二极管的响应速度是其最重要的特性之一。
它取决于光电二极管的结构和材料特性，以及光辐照的强度、波长和时间特性等。
响应速度越快，光电转换的效率越高，适用范围也就越广。
其次，光电二极管的灵敏度是另一个十分重要的特性。
它指的是单位光功率引起的单位电流输出。
灵敏度越高，表示光电转换的效率越高，对于光照弱的场合有着更好的应用价值。
因此，研究光电二极管的灵敏度特性对其性能优化和推广应用具有很大的意义。
除了物理特性之外，光电二极管的应用领域也非常广泛。
一般来说，光电二极管被广泛应用于通信、光信号检测、面板照明、安全监控和能源异构系统等领域。
例如，在通信应用中，光电二极管可以使用在调制解调器、激光器和接收器中。
此外，在单光子计数和霍尔效应测量中，也需要使用光电二极管。
在面板照明领域，光电二极管可以应用于暗场实验与调试、背光源、环境照明和光学检测中。
其中，背光源技术已经成为了当前液晶显示技术的主流之一。
光电二极管可以把电能转换为光能，为LCD平板显示设备提供高效节能的背光源。
在安全监控领域，光电二极管可以应用于白天和夜间视频监控，以及基于红外光的夜视和人脸识别。
由于光电二极管对红外辐射很敏感，因此常用于夜视和红外探测。
总体来说，光电二极管是一种功能强大的光电转换器件。
光电二极管的工作原理与应用分析
光电二极管的工作原理与应用分析光电二极管是一种电子器件，利用光的电磁辐射能够引发电流的产生和控制。
它常被应用于光通信、光电探测、光电测量等领域。
本文将从工作原理和应用分析两个方面来介绍光电二极管。
光电二极管的工作原理是基于内部PN结构的特性。
PN结由P型半导体和N型半导体组成，形成电子和空穴的边界区域，在正向偏置的情况下，P区域中的空穴和N区域中的电子重新组合，产生电流；而在反向偏置下，电子和空穴重新结合，电流几乎为零。
光电二极管的应用十分广泛。
首先，它常被用于光通信领域。
在光纤通信中，光信号需要转换成电信号进行传输和处理，光电二极管就是这一转换的关键器件。
光信号通过光纤传输到二极管表面后，光子的能量激发了半导体中的电子，使其跃迁至导电带，产生电流。
通过控制电流的强弱，就可以实现对光信号的探测和解码。
另外，光电二极管还被广泛应用于光电探测领域。
以传感器为例，当感光元件受到外界光线照射时，光能被转化成电能，从而产生光电流。
这个光电流的大小与光强成正比，通过对光电流进行测量和分析，就可以获得与环境光照强度相关的信息。
因此，光电二极管在光强测量、光敏控制等方面有重要的应用价值。
光电二极管还常被用于光电测量。
以光谱仪为例，它是一种利用光电二极管测量光谱的仪器，可以定量地测量光的波长和强度。
当光通过棱镜或光栅时，不同波长的光会根据其色散性质被分散成不同方向上的光点，然后通过光电二极管转化为电信号，并通过数字信号处理器进行分析和处理。
通过这种方式，可以通过光电二极管对光谱进行高精度的测量和分析。
除此之外，光电二极管在日常生活中也有一些应用。
现如今，手机、平板电脑等移动设备中的光线传感器，就是利用光电二极管来测量环境光照强度，并自动调节屏幕亮度的。
此外，光电二极管也可应用于消费类电子产品中的遥控器、光电开关等设备中，以实现远程控制和开关的功能。
综上所述，光电二极管作为一种常见的光电器件，其工作原理和应用十分重要和广泛。
微弱光强信号采样电路设计
微弱光强信号采样电路设计余明;陈锋;李抄;吴太虎【摘要】微弱光信号检测电路应用在许多精密测量仪器中.针对微弱光强信号放大采样问题,分析了传统光电检测电路存在的不足,采用S2387系列光电二极管,结合多级放大电路与T型反馈电阻网络,设计了一种放大倍率可编程的微弱光强信号采样电路.基于对实验数据的分析,通过对前后级放大倍数的合理分配,该电路兼顾了提高响应速度与降低噪声的要求,简洁可靠,适合于光强和波长变化范围大的微弱荧光、散射光和反射光检测.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2014(036)003【总页数】5页(P253-257)【关键词】微弱光信号;T型反馈电阻网络;多级放大电路;可编程放大倍率【作者】余明;陈锋;李抄;吴太虎【作者单位】中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161;中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161;中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161;中国人民解放军军事医学科学院卫生装备研究所,天津300161【正文语种】中文【中图分类】TH89引言目前光电检测电路已被应用到许多领域。
在光电系统中，光电检测电路把接收到的光信号转换成电信号，并对电信号进行放大，再与后面的检测和运算系统对接。
光电检测电路在整个光电系统中是非常重要的，它的性能好坏直接决定了整个系统的性能好坏［1］。
现结合光电二极管、集成运算放大器构成的二级放大电路、T型网络、滤波器和高精度A／D转换芯片，设计一种通用的高放大倍率、高精度、低噪声的微弱光强信号采样电路。
1 二级放大电路在荧光、散射光和微弱的反射光检测中，光信号比较微弱，一般为1～10nW。
本设计采用的光电二极管为日本滨松生产的S2387系列66R型，该型号光电二极管拥有高线性、高灵敏度和小的暗电流，可用于320～1 100nm波长的微弱光强信号检测。
该型号光电二极管响应率约为0.1～0.58A／W，等效噪声功率为W的光强变化即可引起有效的光电流变化［2］，由此可知，该型号光电二极管可以满足测量要求。
探究光电二极管的工作原理和应用
探究光电二极管的工作原理和应用光电二极管是一种光敏元件，它可以将光信号转化成电信号，常用于光电检测、光电传感、光通信等领域。
本文将探究光电二极管的工作原理和应用。
一、光电二极管的结构和工作原理光电二极管由P型半导体和N型半导体构成，两种半导体之间的接触面上布满了杂质原子，形成了一个PN结。
当左端的P型半导体上加正向电压时，右端的N型半导体上加反向电压，这时PN结上的空穴和电子被强烈吸引，它们在PN结的交界处发生复合，释放出能量。
这种能量在不同种类的光子作用下，产生电流，从而完成将光信号转化成电信号的功能。
二、光电二极管的特性及优缺点光电二极管具有光敏度高、响应速度快、耐热性好、抗干扰能力强等优点。
它可以检测光波长范围广，从紫外线到红外线均可测量。
同时，光电二极管还具有响应时间短、动态范围宽、线性度高等特性，因此在光电领域中具有广泛的应用。
不过光电二极管也存在一些缺点，比如输出电流较小、电流噪声较大等。
此外，在暗环境下，光电二极管也会受到外界热电子影响，产生一定的背景电流。
三、光电二极管的应用范围1. 光电检测和测量：光电二极管可以用于测量光线的强度和光谱，同时还可以进行光电定标、光电控制、光源亮度测量等，广泛应用于科研领域、工业领域和民生领域。
2. 光电传感：光电二极管可以用于测量物体的距离、形状、位置等信息，被广泛应用于机器人、智能家居、无人驾驶等领域。
3. 光通信：光电二极管可以将光信号转化为电信号，因此在光通信领域中具有重要的应用。
它可以用于高速光通信、光纤通信、室外光空间通信等。
4. 光电安防：光电二极管可以用于安防监控、夜视仪、红外探测器等，提高了安防设备的检测能力。
总之，光电二极管在现代光电领域中具有广泛的应用，它可以将光信号转化为电信号，在光电检测、光电传感、光通信等方面发挥着重要作用。
尽管光电二极管还存在一些局限性，但随着科学技术的不断发展，相信它将会在更多领域得到应用。
硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究
硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究发表时间：2017-03-09T11:12:19.920Z 来源：《电力设备》2017年第1期作者：杨劲[导读] 近年来，随着光电检测技术的发展及应用，该技术已经被广泛地应用于航天、医疗、环境科学、农业、工业以及军事等诸多领域。
（池州学院安徽池州 247100）摘要：近年来，随着光电检测技术的发展及应用，该技术已经被广泛地应用于航天、医疗、环境科学、农业、工业以及军事等诸多领域。
光电探测器件是光电检测技术的核心，其作用是实现光信号到光电流信号的转换，然后再转换为电信号。
为此，本文就光电检测电路中的硅光电二极管的应用进行简要地研究，首先介绍了硅光电二极管的基本结构，然后分析了电路特性，最后进一步研究了光电检测电路的设计与实现，希望能够对读者有所帮助。
关键词：光电检测电路；光电探测器；硅光电二极管引言硅光电二极管具有噪声低、线性好、灵敏度高、响应快等优点而被作为整个光电检测电路的核心器件。
然而，当所检测的光信号较为微弱的时候，往往需要外接光电放大电路，由于设计电路结构以及器件芯片选型的不同，受各种噪声叠加及电路中阻抗分流的影响，电路输出端的信噪比降低或线性响应度变差。
因此，对硅光电二极管在光电检测电路中的应用进行分析研究是非常重要的。
1.硅光电二极管的基本结构光电二极管能够将所吸收的光能转换为电能，属于一种光电转换的器件，与激光二极管的受辐射和发光二极管的自发辐射过程相逆，其中，PN型硅光电二极是目前应用最广和最基本的管子。
PN型硅光电二极管的基本结构包括有效面积区、引线、P+扩散区、PN结区、N+扩散区以及金属接触层几部分，其中光可以通过透明的P+区直接到达PN结区，产生光电子，N+扩散区的主要作用在于为金属电极提供良好的电接触。
此外，P—I—N型光电二极管也是当期常用的硅光电二极管，其更适用于反向偏压工作，结构与PN型硅光电二极管相类似，N层与P层间的耗尽层是由本征半导体构成的，其作用是提供一个较小的电容和较大的耗尽深度。
高速响应硅光电二极管 -回复
高速响应硅光电二极管-回复高速响应硅光电二极管：解析与应用引言:随着科技的发展，在光通信及光电子领域，需要对高速信号进行准确、快速的检测和处理。
硅光电二极管作为一种光敏器件，有效地满足了这一需求。
其高速响应特性使其在光通信、光计算、雷达系统和应用领域得到广泛应用。
本文将以高速响应硅光电二极管为主题，对其原理、结构、制作工艺和应用进行详细阐述。
一、高速响应硅光电二极管原理高速响应硅光电二极管的原理基于硅材料对光的吸收效应。
硅光电二极管具有PN结结构，当光照射到PN结区域时，会产生光生载流子。
其中，光子在硅材料中的能量将被光生载流子吸收，使其跃迁至导带和价带，对应于电子和空穴。
这些光生载流子会产生电压信号，从而实现对光的检测。
二、高速响应硅光电二极管的结构高速响应硅光电二极管的结构可分为PN结和光吸收层。
PN结是硅光电二极管的核心部分，由掺杂了不同掺杂浓度的硅材料构成。
光吸收层则位于PN结的上层，用于增强对光的吸收效果。
光吸收层通常由掺杂硅、锗或其他半导体材料构成。
在光敏区域，通过控制PN结的厚度以及选择合适的光吸收层材料，可以实现对不同波长（红外、可见光）的光的高效吸收。
三、高速响应硅光电二极管的制作工艺高速响应硅光电二极管的制作工艺包括以下几个关键步骤：1. 衬底制备：使用硅衬底作为硅光电二极管的基础，通过化学气相沉积（CVD）或热扩散等方法制备。
2. 衬底掺杂：通过离子注入或扩散炉等技术，将硅衬底掺杂成PN结的两侧。
3. 光吸收层制备：在PN结的上层制备光吸收层，其中光吸收层的材料选择和制备方法对器件性能至关重要。
4. 金属接触：使用蒸镀或溅射技术，在PN结的两侧形成金属接触电极，以便将电流引出。
5. 焊接与封装：将高速响应硅光电二极管与其他电子器件相连接，并进行封装，以实现稳定工作环境和易于集成的特性。
四、高速响应硅光电二极管的应用1. 光通信：高速响应硅光电二极管在光通信中扮演着重要角色。
光电二极管及其在光电子领域中的应用
光电二极管及其在光电子领域中的应用光电二极管（Photodiode）是一种能够将光信号转换成电信号的光电器件。
光电二极管具有响应速度快、灵敏度高、体积小、功耗低以及可靠性高等优点，因此在光电子领域得到了广泛的应用。
一、光电二极管的基本结构和原理光电二极管由一对N型和P型半导体材料构成，并在这两种材料的接触处形成一个PN结，其中N型半导体对应着掺杂了大量施主杂质的半导体，导电性能比较好；P型半导体则掺杂了大量受主杂质，导电性能相对较差。
当光电二极管受到光照射时，光子能够在PN结附近被吸收，电子会从其价带跃迁到导带来产生电子空穴对。
此时由于PN结的特殊结构，电子和空穴会向相反的方向移动，产生一个感应电流，最终就将光信号转换成电信号输出。
二、光电二极管的特点与应用1.高速响应光电二极管具有响应速度快的特点，原因在于光电二极管的PN结具有较小的载流子扩散距离，在光信号作用下又能够形成一个较大的内电场，因此其响应速度比一般的半导体器件要快。
2.高灵敏度由于光电二极管的导带和价带之间能量差较小，因此在光照条件下就可以很容易地产生电子空穴对，从而具有很高的灵敏度。
应用场合主要有照度传感器、光电控制、摄像等领域。
3.工作波长范围广光电二极管的感应带宽是由其材料能带结构决定的，不同材料有不同的光谱响应范围。
一些普通的光电二极管主要工作在可见光的范围内，而InGaAs和HgCdTe光电二极管则可以工作在红外光和远赤外光范围内。
4.体积和功耗小光电二极管的外部电路也相对简单，不需要外加信号放大器等辅助电路，从而使得系统的体积和功耗相对较小。
光电二极管在光电子领域中应用非常广泛，下面简单介绍一下常见的应用场景。
1.照度传感器光电二极管可以利用其高灵敏度和宽波长范围等特点，实现照度传感器的功能。
常见的场景包括光强度或光照度的测量、光控开关等。
例如，在室内自动照明控制中，可以使用光电二极管来作为感应器，通过采集和处理周围光线的强度，进而按需调节室内照明的亮度。
光电二极管在光谱传感中的应用与性能评估
光电二极管在光谱传感中的应用与性能评估光电二极管是一种常见的光电转换器件，广泛应用于光谱传感领域。
它具有高灵敏度、快速响应和宽波长范围等优点，可以用于检测和测量不同波长的光信号。
在本文中，我们将探讨光电二极管在光谱传感中的应用和性能评估。
光电二极管的工作原理是基于光电效应。
当光照射到光电二极管上时，光子将激发半导体中的电子，使其跃迁到导带中产生电流。
这种电流与光照强度成正比，因此可以用来测量光的强度。
光电二极管的灵敏度取决于其材料和结构的特性，如半导体材料的带隙宽度和掺杂浓度等。
在光谱传感中，光电二极管可以用于测量不同波长的光信号。
通过选择合适的材料和结构参数，可以实现对特定波长范围内的光信号的测量。
例如，硅（Si）光电二极管适用于可见光和近红外光谱范围，而锗（Ge）光电二极管适用于红外光谱范围。
此外，还可以通过使用滤光片或光栅等光学元件来进一步筛选特定波长的光信号。
除了波长选择，光电二极管还可以通过调整工作电压和电流来优化其性能。
一般来说，增加工作电压可以提高光电二极管的灵敏度和响应速度，但也会增加其噪声水平。
因此，在实际应用中需要根据具体需求进行权衡和调整。
此外，光电二极管的光谱响应特性也可以通过控制其结构和制备工艺进行调控，以满足不同应用的需求。
在评估光电二极管的性能时，常用的指标包括响应速度、灵敏度、线性度和噪声等。
响应速度是指光电二极管对光信号的响应时间，一般以上升时间或下降时间来衡量。
灵敏度是指光电二极管对光信号的响应程度，一般以电流或电压的变化量来表示。
线性度是指光电二极管输出信号与输入光信号之间的线性关系程度，一般以线性度误差来衡量。
噪声是指光电二极管输出信号中的随机波动，可以通过信噪比来评估。
为了评估光电二极管的性能，通常需要进行实验测试。
首先，需要选择合适的测试装置和测量方法。
常用的测试装置包括光源、滤光片、光栅和光电二极管驱动电路等。
测量方法可以根据具体需求选择，如定点测量、扫描测量和时间分辨测量等。
硅光电二极管在光电检测技术中的发展
硅光电二极管在光电检测技术中的发展(读书报告)班级：110111学号：*********姓名：***2014年6月一、前言“光电二极管”英文通常称为 Photo-Diode。
而硅光电二极管是其按照材料类别分类的一种。
首先先从光电二极管说起，光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。
但是，在电路中不是用它作整流元件，而是通过它把光信号转换成电信号。
同时，光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。
光的强度约大，反向电流也约大。
光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。
其中PIN型硅光电二极管具有快速、廉价、兼顾、灵敏度高、量子效率高、体积小、重量轻、可靠性好、使用方便等特点。
它不仅在工农业生产、军事、科研、天文地理中得到广泛的应用，而且在航天航空遥感中也有很好的使用，因此，硅光电二极管具有广泛的发展前景。
二、结构工作原理（按结特性分析）1、PN结型硅光电二极管硅光电二极管同光电池一样，按基底材料不同可分为2DU型和2CU型。
2CU 系列以N-Si为衬底，2CU系列光电二极管只有两个引出线；2DU系列以P-Si 为衬底，而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外，还设了一个环极。
1)2DU管子,当管子加反偏压时，从前极流出的暗电子流，除了有PN结的反向漏电子流外，还有通过表面感应电子层产生的漏电子流，从而使从前极流出的暗电子流增大。
为了减小暗电流，设置一个N+-Si的环把受光面（N-Si）包围起来，并从N+-Si环上引出一条引线（环极），使它接到比前极电位更高的电位上，为表面漏电子流提供一条不经过负载即可达到电源的通路;2)2CU管子，因为是以N-Si为衬底，虽然受光面的SiO2防反射膜中也含有少量的正离子，而它的静电感应不会使N-Si表面产生一个和P-Si导电类型相同的导电层，从而也就不可能出现表面漏电流，所以不需要加环极。
光电二极管的原理及应用
光电二极管的原理及应用光电二极管（Photodiode）是一种将光能转换成电能的半导体器件，广泛应用于光电检测、通信技术、生物医学、探测器等领域。
本文将详细介绍光电二极管的工作原理和应用。
一、光电二极管的工作原理光电二极管由n型和p型半导体材料组成，两种材料以p-n结相接，中间夹着的区域被称为沟道区。
当光子进入沟道区时，会与半导体材料中的电子和空穴相互作用，将一部分电子释放出来，从而产生电流。
这种现象叫做内光电效应。
光电二极管的有效面积称为检测面，入射光线垂直于检测面时，该点的响应电流最大。
电流保持在一个常数的负载电阻上，产生一个与光强成正比的电压信号。
当光子离开沟道区后，电流也随之停止。
光电二极管的应用具有以下优点：高检测效率、快速响应、小体积、低功耗和易于控制。
这些优点使得光电二极管成为光电检测和通信技术中最常用的元器件之一。
二、光电二极管的应用1.光通信光电二极管在光通信领域具有广泛应用，主要体现在光检测器、光接收器、光发射器等方面。
在光检测器中，光电二极管将光信号转换为电信号，从而实现高速的数据传输。
在光接收器中，光电二极管起到接收光信号的作用，然后转换为电信号，由解码芯片进行解码后恢复原始数据。
在光发射器中，光电二极管将强的电信号转换为光信号，发射到光纤中进行传输。
2.光电检测光电二极管广泛应用于光电检测领域，如烟雾探测器、太阳辐射传感器、制冷器监测器等。
在烟雾探测器中，光电二极管将红外线信号转换为电信号，监测到烟雾浓度时，电信号变化即可报警。
在太阳辐射传感器中，光电二极管测量太阳辐射的强度，从而控制太阳能系统的负载。
在制冷器监测器中，光电二极管测量器内温度，从而实现温控。
3.光电探测器光电二极管在光学探测领域被广泛使用，如半导体激光器和光电探测器组成的烟雾感应器、生物传感器和医学成像设备等。
在半导体激光器中，光电二极管可以用于测量反射光、荧光和散射光等。
生物传感器中，光电二极管可以检测特定物质的存在与否，以及其浓度。
光电二极管器件的制备及其在光通信中的应用
光电二极管器件的制备及其在光通信中的应用随着移动互联网、物联网以及5G的快速发展，对于高速、高带宽和高密度通信的需求越来越迫切。
而光通信正是相应而生的一种通信方式，它将激光器、光电探测器、光纤等技术融合在一起，具有传输速度快、可靠性高等优点。
其中，光电二极管器件作为光电转换器件之一，在光通信中起到了重要的作用。
光电二极管器件的制备光电二极管器件是将光信号转换为电信号的一种器件，其结构由PN结及两个端子构成。
PN结又分为P型半导体和N型半导体两部分，其中P型半导体中电子集中于少量的空位周围，而N型半导体则是电子超过空位的区域。
在两个半导体区域之间形成的结面，称为PN结。
当PN结中入射的光线穿过PN结时，就会在PN结中形成电子空穴对，从而产生电信号。
光电二极管器件的主要制备方法有原子层沉积、分子束外延、化学气相沉积、溅射沉积、离子束沉积等。
原子层沉积是利用原子或分子层沉积技术，一层一层地将材料沉积在衬底上，从而得到单晶样品。
而分子束外延是利用分子束的方法，在真空环境中控制各种材料分子束的射入，最终将材料薄膜沉积在衬底上。
化学气相沉积则是利用化学反应来沉积材料薄膜。
而溅射沉积是利用高能离子轰击靶材制造材料薄膜的方法。
离子束沉积主要是利用离子束处理基材，控制能量、电流密度、沉积速度等参数，实现薄膜的沉积。
在制备光电二极管器件时，还需考虑材料的能带结构和光电性能。
一般情况下，光电二极管材料分为硅、锗、GaAs、InP等，其中，InP材料的能带结构非常适合光电传输，因此应用最广泛。
光电二极管器件在光通信中的应用光电二极管器件在光通信中主要用于接收光信号，并将之转化为电信号，在信号处理中起到重要的作用。
在光通信系统中，光电二极管器件主要分为两类：接收器件和发射器件。
接收器件主要实现信号的光电转换，将光信号转化为电信号输入到接收端电路中，而发射器件则实现电信号的光电转换，将电信号转化为光信号输出。
在接收器件中，PIN光电二极管、APD光电二极管及Schottky光电二极管是常用的三种类型。
一种基于硅光电二极管的荧光检测电路[发明专利]
![一种基于硅光电二极管的荧光检测电路[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/f3b45f8c1ed9ad51f11df268.png)
专利名称：一种基于硅光电二极管的荧光检测电路专利类型：发明专利
发明人：何志杰
申请号：CN201610449675.3
申请日：20160621
公开号：CN107525787A
公开日：
20171229
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种基于硅光电二极管的荧光检测电路，适用于检测领域。
荧光检测电路采用的是
SST89E516RD单片机控制，由LED驱动电路、探头电路、高频补偿电路组成。
电路结构紧凑，占用体积较小，电路检测准确度较高，工作稳定，不易受外界环境影响，提高了工作效率，弥补了硅PD灵敏度不足的缺点。
申请人：何志杰
地址：110179 辽宁省沈阳市浑南新区临波路15号伊丽雅特湾9号楼
国籍：CN
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光电二极管技术在生物医学检测中的应用
光电二极管技术在生物医学检测中的应用光电二极管是一种半导体器件，其具有非常广泛的应用领域。
特别是在生物医学检测领域，光电二极管技术的应用十分常见。
本文将从生物医学检测的意义、光电二极管的工作原理以及其在生物医学检测中的应用等方面进行阐述。
一、生物医学检测的意义生物医学检测，是指利用现代检测技术对人体生物样本进行分析、检测、诊断等活动。
生物医学检测对于现代医学的发展和改进至关重要。
生物医学检测可以对患者的体内情况进行全面、系统的分析和诊断，有效地帮助医生查明病因，选择正确的治疗方案，那么生物医学检测需要依赖什么技术呢？二、光电二极管的工作原理光电二极管是一种将光信号转换为电信号的器件。
其工作原理是在 p-n 结上加上正偏压，当光照射在 p-n 结上时，由于光子的能量将被电子吸收，使电子从价带上跃迁到导带上，形成电压和电流，具有转换功效。
三、光电二极管在生物医学检测中的应用1. 血糖检测光电二极管在血糖检测中的应用已十分成熟。
基于光电二极管对光吸收的性质，利用光学测量技术，通过计算光线被吸收前后的差值来检测血液中的葡萄糖含量，具有快速、方便、低成本等优点。
2. 体内组织酸碱度监测在手术中，医生常常需要了解手术部位的酸碱度变化情况，光电二极管技术可以用来监测局部酸碱度。
通过与 pH 电极相结合使用，光电二极管能够在局部区域高精度、实时监测患者的酸碱度变化，帮助医生更好地掌握患者情况。
3. 生化荧光检测生化荧光检测可以对体内微量分子进行监测，可以通过激发荧光基团的荧光蛋白检测出分子的反应物质，利用光电二极管检测蛋白质荧光强度，实现高灵敏度分子分析。
4. DNA 测序DNA 测序是指将完整的 DNA 序列分离出来，以便进行分析和测定。
在这一过程中，光电二极管可以被用来检测所选择的碱基的标记物，监测 DNA 电泳过程中的切片，保证 DNA 序列的准确性和完整性。
四、结语在生物医学检测中，光电二极管技术的应用广泛。
硅基光电子器件的研究与应用
硅基光电子器件的研究与应用引言随着科技的不断发展，硅基光电子器件在各个领域中得到了广泛的应用。
硅基光电子器件具有成本低、可靠性高的优势，能够实现光电子控制和信号转换的功能，因此在通信、光学、生物、化学等领域中都得到了广泛的应用。
本文旨在探讨硅基光电子器件的研究与应用。
第一章硅基光电子器件的研究1.1功率二极管功率二极管是硅基光电子器件中的重要组成部分，它主要用于光控开关、伺服控制和功率放大等领域。
近年来，功率二极管的技术不断发展，得到了广泛的应用。
其中，铝镓砷功率二极管由于具有高电子迁移率、高击穿电压和快速开关速度等特点，成为了现代功率电子应用中的重要器件。
1.2PIN二极管PIN二极管是一种三层结构的硅基光电子器件，其特点是具有高速、大容量、低噪声等优点。
PIN二极管主要用于光探测和光电效应器件中。
目前，PIN二极管的技术已经非常成熟，得到了广泛的应用。
1.3光纤光栅传感器光纤光栅传感器是一种利用光纤中的光栅进行光控制和光学测试的探测器件。
光纤光栅传感器具有高精度、高灵敏度、耐高温、耐腐蚀等优点，能够应用于环境监测、医学、华盛顿等领域中。
目前，光纤光栅传感器的技术研究还在不断发展中，未来有望得到更广泛的应用。
第二章硅基光电子器件的应用2.1通信领域硅基光电子器件在通信领域中得到了广泛的应用。
光通信系统是一种在光导纤维中传输信息的系统，其主要组成部分是发送端、光导纤维和接收端。
硅基光电子器件主要用于光源和探测器件中，能够实现光信号的产生和接收。
2.2光学领域硅基光电子器件在光学领域中也有广泛的应用。
光学系统是一种利用光学原理进行成像的系统，其中硅基光电子器件主要用于光学控制、光学测试和光学信号处理等方面。
2.3生物领域硅基光电子器件在生物领域中得到了广泛的应用。
目前，已经有不少的硅基光电子器件应用于基因检测、细胞成像、药物筛选等方面，为生物医学研究提供了重要的工具。
2.4化学领域硅基光电子器件在化学领域中的应用也十分广泛。
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第20卷 第5期 许昌师专学报 Vol.20.No.5 2001年9月 JOURNAL OF XUCHANG TE AC HERS C OLLE GE Sep.,2001文章编号:1000-9949-(2001)05-0019-04硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究付文羽,彭世林(庆阳师范高等专科学校物理系,甘肃西峰745000) 摘 要:分析了光电检测时硅光电二极管线性响应及噪声特性,给出了硅光电二极管的线性度及信噪比公式,并结合噪声E n—I n模型[1],对光电二极管用于光电检测时影响电路信噪比的因素进行了探讨.关键词:光电检测;信噪比;噪声模型中图分类号:TN710.2 文献标识码:A0 引言硅光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中,尤其在激光通讯测量中,通常要测量微瓦以下的光信号,就更离不开硅光电二极管.质量好的硅光二极管用于激光功率测量时,测量下限可达10-8W,分辨率可达10-12W.在许多场合,光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号,其特点是:单一频率或包含着丰富的频率分量的交变信号,当信号很微弱时,由于背景噪声和电路热噪声的影响,还需要对信号进行低噪声处理、放大.因此,在交变光电信号作用下,怎样正确选择硅光电二极管的参数,以获得最小非线性失真信号及信号检测的灵敏度就成为人们所关心的问题.1 硅光电二极管的基本结构及等效电路光电二极管是一种光电转换器件,其基本原理是当光照射在P—N结上时,被吸收的光能转变为电能,这是一个吸收过程,与发光二极管的自发辐射和激光二极管的受激幅射过程相逆.P—N型硅光电二极管是最基本和应用最广的管子.基本结构如图1所示,它是在N型硅单晶片的上表面扩散一薄层P型杂质,形成P+型扩散层.由于扩散,在P+区和N型区形成一个P+N结.P+区是透明的,光子可以通过P+区到达PN结区产生光电子.在N型硅单晶下表面扩散N型杂质以形成高浓度的N+扩散区,以便给金属电极提供良好的电接触.另一种常用的硅光电二极管是P—I—N型硅光电二极管,其结构同P—N型类似.位于P层和N层之间的耗尽层由本征半导体构成,可以提供一个较大的耗尽深度和较小的电容,适合于反向偏压工作.硅光电二极管的等效电路如图2所示,图中I s为电流源,它是硅光电二极管接收辐射后所产生的光电流I p和暗电流I d以及噪声电流I n之和,即:图1 平面扩散型PN结光电二极管结构图图2 硅光电二极管等效电路收稿日期:2001-03-19作者简介:付文羽(1963-),男,甘肃宁县人,庆阳师专物理系讲师,工程硕士,主要从事光电检测与传感技术应用研究. 20许昌师专学报2001年9月 I s =I p +I d +I n(1)质量好的管子,噪声电流很小,可以忽略.暗电流本身并不影响硅光电二极管对信号的测量,在测量电路中可通过调零消除.但暗电流是温度的函数,在室温下,温度每增高一倍,暗电流要提高十倍[2],因此,暗流引起的噪声要影响到硅光电二极管探测的灵敏度.同时,暗电流也同硅光电二极管应用时所加偏压有关,偏压越高,暗电流越大;面积越大,暗电流越大.在忽略暗电流和噪声电流的影响时,可以近似认为I s ≈I p(2)R s 是串联电阻,由接触电阻、未耗尽层材料的体电阻所组成,C d 是结电容,R s 、C d 的大小同管子尺寸、结构和偏压有关,偏压越大,R s 、C d 越小,R d 是硅光电二极管的并联电阻,由硅光电二极管耗尽层电阻和漏电阻所构成.它也是随温度的变化而变化的,与管子尺寸有关.结面积越小,R d 越大.温度越高,R d 越小.D 为PN 结等效二极管,R L 为负载电阻,C L 为负载电容.2 硅光电二极管的线性响应与负载电阻的关系在光电检测电路中当检测信号是缓变信号时,电容C d 、C L 的影响忽略不计,此时,由图2硅光电二极管的等效电路可知,通过等效二极管D 的电流为I d =I 0e qU d /A kT =I 0e q U d /A V T -1(3)(3)式中I 0是光电二极管的反向饱和电流,q 是电子电量,k 是波尔兹曼常数,U d 是加在硅光电二极管上的电压,常数A 对于硅材料而言[3],A ≈2,V T =kT /2,流过负载上的电流I L 为I L =I p -I d -I Rd =I p -I 0e I L (R S +R L )/AV T -1-U d R d =I p -I 0e I L (R s +R L )/A V T-1-I L (R s +R L )R d(4)由(4)式可知,硅光电二极管接受激光辐射时,输出的负载电流并非线性关系,而是指数关系.在输出短路的情况下,由于R s R L ,则(4)式变为I L =I p -I 0e I L R L /AV T -1(5)如果二极管的向饱和电流很小,而输出电流不大,即保持I s R L A V T ,可得到I L ≈I p ,即输出电流近似等于光电流,也就是线性好.因此,硅光电二极管进行激光测量时要选取R f 大、R s 小、I 0小的二极管,并在输出短路状态下工作.下面推导硅光电二极管的线性公式:设硅光电二极管的线性偏差为P =(I p -I L )/I L ,将(5)式代入得 P =I p -I L I L =I p -(I p -I d -I Rd )I L =I d +I Rd I L =I 0e I L (R s +R L )/AV T-1+(R s +R L )·I L /R d I L =I 0e U d /AV T -1+U d /R dI L(6)由(6)式可以定性看出R s 越小,R d 越大,I 0越小时,线性P 值越小,即线性好.在负载短路状态下,R L =0,一般R S R d ,故(6)式可简化为图3 2CU GS 型硅光电二极管短路状态下线性偏差I L —P 曲线P =I 0I L=e I L ·R s /AV T -1(7) 由(7)式可见:只要I 0和R s 值很小,则线性偏差值很小,即线性好.对于2CUGS 型硅光电二极管,其暗电流I 0=2.1nA ,串联电阻R s =10Ψ,常数A =2,在常温下计算得1/AV T ≈20(1/V ).带入(7)式可得不同输出短路电流情况下的I L —P 曲线.如图3所示.由图3可见其线性很好,但输出电流I L 1mA 时,P 值增加很快,硅光二极管的线性变差.当RL ≠0时,又考虑(R L +R s ) R d 的情况下,(6)式化简为P =I 0I L e U /AV T =I 0I Le I L R s /A V T -1(8) 第20卷第5期付文羽等:硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究21 由(8)式可得,在I L 不为零时,随着R L 的增大P 值增大,线性变坏.若取R =100Ψ,1k Ψ,则在其它条件不变的情况下所得的I L —P 曲线如图4所示图4 不同R L 值时2CUGS 型硅光电二极管线性偏差I L —P 曲线3 硅光电二极管噪声特性分析3.1 散粒噪声由PN 结中随机电流产生的,即PN 结载流子运动的随机变化所引起的噪声.它与频率无关,属于白噪声.设Δf 为光电二极管工作的频带宽度,I s ≈I p 为通过PN 结的电流,q 为电子电荷,则散粒噪声I np 的数值可表示为I np =(2qI p Δf )12(9)3.2 热噪声热噪声是由自由电子在电阻材料中随机运行所产生的,其值为V d =(4kTR d Δf )12(10)式中k 为玻尔兹曼常数,T 为绝对温度,R d 是硅光电二极管的内阻,所产生的热噪声电流值为I nd =(4kTR d Δf /R d )12(11)由(9)、(10)式可得硅光电二极管本身产生的总噪声电流为I 2n =(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )12(12)其信噪比为S /N =I p /I n =I p /(2qI p Δf +4kTR d Δf /R d )12(13)由(13)式可见,对于内阻大的硅光电二极管,其噪声电流要小一些.表1列出了不同光电流下两种噪声电流的比较.表1 2CUGS 型硅光电二极管噪声的理论计算值 (R d =10M Ψ,Δf =1MHz )I p (A )10-1010-910-810-710-610-510-4I np (A )5.6×10-151.7×10-145.6×10-131.7×10-135.6×10-121.7×10-125.6×10-11I nd (A )2.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-152.35×10-15S /N1.8×1045.9×1041.8×1045.9×1041.8×1045.9×1041.8×104 由表可看出,当光电流大于10-10A 时散粒噪声随着电流的增加而显著地变大.因此,在光电检测电路中,减小光电二极管的散粒噪声就成了主要问题.3.3 影响硅光电二极管输出电路信噪比的因素用硅光电二极管组成的光电检测电路,信噪比除了与选用的二极管的性能和偏压方式有关之外,还与输入电路的元件参数有关.如果考虑到测量时的线性,必须保证负载阻抗为零.因此,常用低噪声运算放大器接成电流电压转换器的办法来满足这一要求.如图5所示.由于负反馈运算放大器的等效输入阻抗为R in =R f /(1+A ),其中A 为运算放大器的开环增益,R f 为放大器的反馈电阻.一般而言,运算放大器的开 22许昌师专学报2001年9月图5 硅光电二极管运算放大器组合电路图6 硅光电二极管组成的光电检测电路噪声模型环增益大于A 106,则输入阻抗R ni ≈0.一方面可提高硅光电二极管测量的线性,另一方面因光电二极管工作区域接近短路状态,电路可获得最小噪声系数[4].由图5可画出光电检测电路的噪声模型如图6所示,图中I s 为光电二极管的光电流,I ns 为光电二极管的散粒噪声电流,R d 为光电二极管的内阻,I nd 为内阻产生的热噪声电流,C d 为光电二极管结电容,C 0为电路的布线电容;E fn =(4kt ΔfR f )12为反馈电阻R f 所产生的热噪声电压,E n 、I n 分别为运算放大器的等效噪声电流和电压,r i 为运算放大器的输入阻抗,V i 为放大器输入端信号电压值,E n 0为放大器等效输出噪声电压值,I ni 为各噪声电源在放大器输入端产生的等效输入噪声电流值.根据图6可写出各噪声电源在输入端产生的等效噪声电流为I 2ni=2qI s Δf +4kT 1R d +1R f Δf +I 2n +E 2n Δf 1R d +1R f2(14)则光电检测电路信噪比S /N =I s I ni =I s /2qI s +4kT 1R d +1R f+I 2n +E 2n1R d +1R f 212·Δf (15)从(15)式可知,光电检测电路信噪比主要与以下几个方面的因素有关:首先是输入回路中光电二极管的内阻R d 和放大器的反馈电阻R f ,R d 的大小取决于二极管的选择,适当地提高反馈电阻R f 阻值,既有利于信噪比的改善,也提高了电流、电压转换的转换系数.其次是集成运算放大器的等效输入噪声电流、电压及失调电压和失调电流的影响.等效输入噪声电流中产生的噪声电流是总噪声电流的主要部分.失调电压和失调电流,其值随温度漂移,虽然失调电压和失调电流在电路调整时能加以补偿,但是漂移的影响将在电路的输入端造成噪声.所以,选择失调电压和失调电流较低、噪声性能更优的集成运算放大器是至关重要的.参 考 文 献[1] 张广发.电路噪声计算与测量(上、下册)[M ].长沙:国防科技大学出版社,1994.[2] 郭正强,等.有关光电二极管用作激光功率测量中几个问题的考虑[J ].激光与光学,1986,(1):8-10.[3] 梁万国,等.光电探测器的设计[J ].半导体光电,1998,(19):51-55.[4] 王正清,等.光电探测技术[M ].北京:电子工业出版社,1994.161.责任编校:陈新华Applied Research of Si -photodiodes in Photoelectric Detective CircuitFU Wen -yu ,PENG Shi -lin(Department of Physics ,Qingyang Teache rs College ,Xifeng 745000,China ) A bstract :The linear response and noise performance of Si -photodiodes are analyzed in photoeletric detection .And with a noise E n -I n model ,the factors are discussed which influence signal -noise ratio of photoelectric detective circuit for Si -photodiodes .Key words :photoelectric detection ;signal -noise ratio ;noise -model责任审校:黄怡俐。