光电探测器偏置电路共57页
光电二极管偏置电路设计
光电二极管偏置电路设计英文回答：Photodiode Bias Circuit Design.Introduction.A photodiode is a semiconductor device that converts light into electrical current. It is a type of photodetector that is used in various applications, such as optical communication, position sensing, and light measurement. The performance of a photodiode is greatly influenced by its bias circuit.Bias Circuit.The bias circuit of a photodiode is a circuit that provides the necessary voltage and current conditions for the operation of the photodiode. The main purpose of the bias circuit is to establish a reverse bias across thephotodiode, which allows the photodiode to generate a photocurrent when illuminated.There are two main types of bias circuits:Constant Voltage Bias Circuit: This circuit maintains a constant voltage across the photodiode, regardless of the light intensity. It is typically used in applications where a stable photocurrent is required.Constant Current Bias Circuit: This circuit maintains a constant current through the photodiode, regardless of the light intensity. It is typically used in applications where a wide dynamic range is required.Design Considerations.The design of a bias circuit for a photodiode involves several important considerations:Reverse Bias Voltage: The reverse bias voltage applied to the photodiode should be large enough to ensure that thephotodiode is fully depleted and operates in the reverse-biased region.Load Resistance: The load resistance connected to the photodiode determines the output current and voltage of the photodiode. A higher load resistance will result in ahigher output voltage and a lower output current.Dark Current: The dark current is a small current that flows through the photodiode even when it is not illuminated. The bias circuit should be designed tominimize the dark current.Responsivity: The responsivity of a photodiode is the ratio of the output current to the incident light intensity. The bias circuit should be designed to maximize the responsivity of the photodiode.Design Procedure.The design procedure for a bias circuit for aphotodiode typically involves the following steps:1. Determine the desired operating voltage and current for the photodiode.2. Select the type of bias circuit (constant voltage or constant current).3. Calculate the required reverse bias voltage and load resistance.4. Choose appropriate components for the bias circuit.5. Test and verify the performance of the bias circuit.Conclusion.The bias circuit is an essential part of a photodiode system. By carefully designing the bias circuit, it is possible to optimize the performance of the photodiode and meet the specific requirements of the application.中文回答：光电二极管偏置电路设计。
《光电探测器》PPT课件
t 响应速度受三个因素的限制：载流子的扩散时间
t ，耗尽层中漂移时间 diff
dr
和耗尽层电容C与负载电阻R之乘积所决定的RC时间常数。
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8.3光敏二极管
6、光敏二极管的一般特性 c、噪声特性 噪声源：热噪声、散粒噪声 热噪声-主要负载； 散粒噪声-信号光电流，背景光电流，反向饱和电流
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8.2光敏电阻
1 、 光敏电阻简介
特点：
•光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）； •偏置电压低，工作电流大； •动态范围宽，既可测强光，也可测弱光； •光电导增益大，灵敏度高； •无极性，使用方便； •在强光照射下，光电线性度较差 •光电驰豫时间较长，频率特性较差。
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本征半导体的光电导效应。当光子能量E光大于或等于禁带宽度Eg时，光 子把价带中的电子激发到导带，出现自由电子和自由空穴时，从而使材料的
电阻率降低。电导率增加。
E光 =
hc
1240
Eg
1240
Eg
引入长波限λ0，若波长长于λ0， 即无本征吸收
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8.2光敏电阻
3、光敏电阻工作原理
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8.2光敏电阻
4、光敏电阻的参数与特性 b.响应灵敏度 能够产生光致导电的光主要是波长接近光谱响应峰值的光，这种
光能把电子直接由价带激发导导带。但是，实际上，光把光电导体
中的杂质和晶格缺陷所形成的能级中的电子激发到导带的情况是很
多的，而这些能级与导带间的宽度比禁带宽度要窄的多。这就意味
着，光电导体对波长长于峰值波长的光也具有响应灵敏度，而且，
光电探测器分解课件
光电探测器的应用领域
总结词
光电探测器广泛应用于各种领域，如科学研究、工业 生产、安全监控等。其应用范围涵盖了光谱分析、辐 射监测、激光雷达、光纤通信等众多领域。
详细描述
光电探测器作为一种重要的光电器件，具有广泛的应用 领域。在科学研究领域，光电探测器可用于光谱分析、 辐射监测等实验中，帮助科学家深入了解物质的性质和 行为。在工业生产领域，光电探测器可用于各种自动化 生产线和设备的控制与监测，提高生产效率和产品质量 。此外，在安全监控、激光雷达、光纤通信等领域，光 电探测器也发挥着重要的作用。通过不断的技术创新和 应用拓展，光电探测器的应用前景将更加广阔。
02
薄膜沉积
在衬底上沉积光电探测器的关键薄膜 材料，如半导体材料、金属材料等。
01
封装与测试
将制造完成的光电探测器进行封装和 性能测试，确保其正常工作。
05
03
光刻与刻蚀
通过光刻技术将薄膜材料加工成所需 的结构和图形，然后进行刻蚀以形成 光电探测器的各个部分。
04
掺杂与欧姆接触
对光电探测器的半导体材料进行掺杂 ，并形成欧姆接触，以实现电流的收 集和传输。
光电探测器输出电压与输入光 功率之比，用于衡量光电探测
器的光转换效率。
带宽
光电探测器的响应速度的量度 ，通常以Hz或MHz为单位。
噪声等效功率
在一定的信噪比下，探测器可 检测到的最小光功率。
线性范围
光电探测器输入光功率与输出 电压呈线性关系的范围。
03
光电探测器的制造工艺
制造工艺流程
衬底准备
选择合适的衬底材料，并进行清洗和 加工，为后续制造过程做准备。
光电探测器的发展趋势
高响应速度
4-3光电探测器的放大电路
Ap1、Ap2、Ap3分别为各级的功率增益。
12
由
pn 得： NF 1 AP pni
Pn NF 1 Ap Pni
每个放大器单独和源相连接时，得到：
Pn1 NF1 1 Ap1 Pni Pn 2 NF2 1 Ap 2 Pni Pn3 NF3 1 Ap 3 Pni
Ap为三级放大器的总的功率增益：
Ap Ap1 Ap 2 Ap3
14
所以：
NF1, 2,3
Ap 2 Ap3 Pn1 Ap3 Pn 2 Pn3 Pn 1 1 Ap Pni Ap1 Ap 2 Ap3 Pni
Pn1 Pn 2 Pn3 1 Ap1 Pni Ap1 Ap 2 Pni Ap1 Ap 2 Ap 3 Pni
首先介绍低噪声前放的选用方法 。
20
噪声系数NF是用来描述放大器（或一个器件）噪声性能的
参数，如果一个放大器是理想的无噪声的放大器，那么，它 的噪声系数NF=1，而NF=10 lg(NF)=0（dB）
一个实际的质量好的低噪声前臵放大器其NF值可以做到
0.05dB，甚至更低。
生产厂商在出售低噪声前放时，都附有关的技术资料，其
对于低噪声运放，生产厂家一般会在其产品手册中提供一定 测试条件下的NF-Rs曲线，如下便是两例。
OP-07的NF-Rs曲线
LMC662的NF-Rs曲线
从NF-Rs曲线上可以清楚地看到，在所运用的频率范围下， 源电阻Rs和NF的关系，当源电阻为50KΩ，运用频率为 1KHz时，OP-07的NF约为3dB，而LMC662却为8dB，故这 两者比较应选用OP07。
f0可调的带通滤波器，采用噪声发生器法，或正弦波法，测出不 同Rs和f0条件下的一系列NF值，都标在坐标图上。
光电探测器前置放大电路设计概要
光电探测器前置放大电路设计概要上海光学精密机械研究所李国扬此处的光电探测器，指的是将光功率转化为电流的二极管结构光电转换器件。
有人认为光电探测器的应用很简单，将光电二极管的输出电流用一个电阻进行取样，就得到了电压，该电压可经过AD转换电路进行数字化处理。
一个简单的光电探测器应用电路如下图所示：实际上，没有如上图一样简单。
首先，上图中的光电探测器会产生一个暗电流，这个暗电流有可能会大到可以和信号电流比拟；其次，取样电阻会产生热噪声，而电阻值越大，噪声也越大。
并且，10mV 的信号电压未必足够大。
而在光电流大小一定的情况下要提高信号电压，就需要增大取样电阻，取样电阻变大，又会增大噪声，这是一对矛盾。
进一步分析，光电探测器的PN结有一个结电容，这个结电容和取样电阻形成一个RC充电回路，RC值的大小决定了光电探测器的响应速度。
对于一个给定探测器，C 值是随着VCC电压值变化而变化的。
电容值随VCC变化典型曲线如下图。
当VCC值不稳时（如用噪声大的开关电源给探测器做偏压），就会使结电容不稳，结电容的大小会影响响应度；这样，VCC的噪声会通过改变结电容的大小而转化成信号的噪声。
确定了探测器种类和VCC后，C值就固定了，此时，减小R值可以减小响应时间，增大响应带宽；但是，减小R值又会减小响应幅度。
这又是一对矛盾。
对于探测微弱信号而言，需要一个比较大的取样电阻，而取样电阻如果很大，对于后级电路来说，相当于一个大的输出阻抗，这对后级电路的处理带来了困难。
如下图所示意，如果后级电路的输入电阻为1M欧，那么信号电压只有一半被后级放大器提取，所以，要求后级电路有很大的输入阻抗，才能尽可能多的提取信号能量。
到了这里，您可能会说，是否可以选择一种光电探测器，使它能够对光信号更为敏感，也就是说，单位光功率可以得到更大一些的光电流，这样就减轻了电路的压力。
是的，有响应更大的器件。
但是，增大光电响应度，在半导体工艺上需要增大光敏面积，而增大光敏面积的一个伴生效应是增大结电容。
光电探测器的偏置电路PPT课件
第四章 光电信号处理
1
整体概况
概况一
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01
概况二
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02
概况三
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03
第四章 光电信号处理
教学内容
4.1 光电探测器的偏置电路
4.1.1 探测器伏安特性回顾及基本概念 4.1.2 可变电阻型探测器的偏置和设计 4.1.3 恒流源型探测器的偏置和设计 4.1.4 光生电势型探测器的偏置和设计
4.2 光电探测器的放大电路
4.2.1 放大器的噪声模型 4.2.2 放大器的外部电路设计 4.2.3 多级放大器的噪声影响
4.3 微弱信号检测
4.3.0 概述 4.3.1 信噪比改善（SNIR） 4.3.2 相关检测原理 4.3.3 锁定放大器 4.3.4 取样积分器
课内学时 课外学时
8h
8h
3
4.1 光电探测器的偏置电路
VIRLV(B RdRd2SRgL )2RL
电路参数确定后，输出信号变化与入射辐射量的变化成线性关系20 。
二、基本偏置的动态设计
设入射于光敏电阻的辐射为调制辐射正弦，
(t) 0 msi n t
V
Cd
ip ~ Rd
RL
VL
基本偏置电路
等效微变电路
21
输出的交流部分电流
ip(t)SgV 0 msi n t
Rb
RL
Vb
Vb IRb V I(VbV)/Rb
25
（2）确定静态工作点
负载线和静态工作时所对 应的伏安特性曲线的交点 Q即为输入电路的静态工 作点。
负载线的确定：
I(VbV)/Rb
第4章光电导探测器
光谱响应率：
光电流
I
p
(
)
qNG
q
() h
G
S() I p () q G () h
增大增益系数G可以提高光谱响应率，实际上常用的光电 导探测器的光谱响应率小于1A／W，原因是：
① 产生高增益系数的光电导探测器电极间距需很小，致使光 电导探测器集光面积太小而不实用。
② 若延长载流子寿命也可提高增益系数，但这样会减慢响应 速度，因此，在光电导探测器中，增益与响应速度是相矛 盾的。
半导体在0K时，导电载流子浓度为0。在0K以上，由于热 激发而不断产生热生载流子(电子和空穴)，它在扩散过程 中又受到复合作用而消失。在热平衡下，单位时间内热生 载流子的产生数目正好等于因复合而消失的数目。因此在 导带和价带中维持着一个热平衡的电子浓度n和空穴浓度p， 它们的平均寿命分别用τn和τp表示。
但当入射光功率在较大范围内变化，即光电导变化范围很 大时，要始终保持匹配状态是困难的。
输出电流与电压讨论： 1）高频工作时要考虑电容影响； 2）光电流Ip与入射光功率的关系： 由于半导体对光
的吸收具有非线性特性。所以光电导探测器的光电流与 入射光功率也将呈现非线性关系。
弱入射辐射时，成简单线性 强入射辐射时，成非线性（抛物线型）
§4-2 光电导探测器的特性与性能参数
一、光电导探测器的光谱特性
1. 本征光电导的光谱分布： 特点： 单峰；两端下降；长波限不明显
相对灵敏度/%
100
ZnS CdS
80
60
40
CdSe
20
0 0.3 0.5
PbSe 90K PbS
Ge
PbTe CaAs 90K
InSb
光电探测器的偏置电路.概要
12
2. 直流和交流通路
电路中直流信号和交流信号是同时存在的，为 了分析研究方便，将两种信号对电路的作用分开讨 论，即分为直流通路和交流通路。
3
4.1.1 探测器的伏安特性回顾及基本 概念
4
一、探测器的伏安特性
可变电阻型 恒流型 光生电势型
PC器件 电阻型热探测器
（加偏置，不分正负）
PV器件，PMT （加反向偏置）
光电池 （不加偏置 ）
5
1．可变电阻型探测器的伏安特性
光电导探测器 （光敏电阻 ）
I g pU S gU
6
2．恒流源型探测器的伏安特性
？
G S g
入射辐射变化时，偏置电阻 RL两端的输出信号电流、电 压变化为
2 VB Rd S g VB dRd I dIL 2 ( Rd RL ) ( Rd RL ) 2
V I RL
2 VB Rd S g
( Rd RL )
2
RL
V VB I L RL
I L g pV VSg E VSg
Rd ：探测器电阻
R L ：偏置电阻（或负载电阻）
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2. 解析
VL V A
2 L
输出点电压
光敏电阻功耗
V B RL Rd RL
VB2 Rd Pm I Rd ( Rd R L ) 2
23
一. 静态 （直流或缓慢变化辐射）
第五章 光电仪器中的光电探测及常用检测电路
当T=600K时有：
6.624 10 34 3 1014 4 1.3807 10 23 600 f 12 NEP 12 10 f 19 1 1.6 10 0.6328 1000
探测器的噪声
产生—复合噪声
在光和热的作用下，半导体中由于载流子产生与复合 的随机性而引起的平均载流子浓度的起伏所产生的噪声， 又称G-R 噪声。 非本征半导体器件的G-R噪声电流和噪声电压为
♠ 光发射器件（光电子发射效应或外光电效应）
光子能量大于 材料内束缚能级的 逸出功 电子逸出表面 金属氧化物或 自由电子 半导体表面
光辐射
光电探测器及其选用
♠ 光导器件（光电导效应或内光电效应）
光辐 射 ♠ 光伏器件（光生伏特效应或内光电效应）
材料内不导电束缚 光子能量大 于禁带宽度 半导体 状态的电子空穴 自由电 材料 子空穴 电导率 变化
光探测器的性能指标
探测度（D）
NEP数值越小，表示探测器的探测能力越强，相对缺乏 直观性。为此引入了NEP的倒数定义为探测度D，即：
US / UN 1 D NEP P
其描述了光电探测器在其噪声水平上产生可观测信号的本 领。即探测器能响应的入射功率越小，探测度越高。 探测度表征器件性能时，必须说明入射辐射的波长、探测 器工作温度、斩波器的频率、器件上所加的偏置电流、 探测器的接收面积和放大器的带宽。
受激发的电子由光敏电极上发 射到周围的媒介中
光导器件
固体光 子器件
光子引起材料中电子能量分布 光电磁器件 的变化，从而输出所需的信号
光伏器件
光探测器的性能指标
所有的光探测器都是为探测某个特定波段或一个宽波段 上的辐射能，并能输出一个和所吸收的能量成正比的信号。
4-3光电探测器的放大电路
NF1,2,3
1
Pn Ap Pni
Pn为三级级联放大器内部噪声功率在输出端的体
现:
即：
Pn (Pn1 Ap2 Pn2 ) Ap3 Pn3
Ap为三级放大Pn器的Ap总2 的Ap3功 P率n1 增A益p3 P：n2 Pn3
Ap Ap1 Ap2 Ap3
14
第14页，共37页。
所以：
NF1,2,3
选择前放提供了依据。
29
第29页，共37页。
（3）利用NF图还可以计算出最小可检测信号MDS的大小，
MDS的定义为折合到放大器输入端的Eni。
由公式：
NF
Eni 10 20 4KTRs f
可以由等值图中最小的NF值即能计算出低噪声前放在一定条件
下的最小的Eni，这就是MDS。
在科研和开发中，选购低噪声前放时，应注意利用NF图及有关 技术参数，其它参数还有如输入、输出阻抗、增益、带宽、NF最 小点，增益稳定度等。
Zcs Zs
Zcp
~
ri 无噪声
VCC -VEE
+ ri 无噪声
-
7
第7页，共37页。
（5）串并串型：
VCC
Zcs1 Zs
~
Zcs2 Zcp
ri 无噪声
-VEE
+ ri 无噪声
-
8
第8页，共37页。
耦合网络除了要符合电子学的设计原则之外，从降低噪声提高输出端 信噪比的角度来考虑和分析，为了尽量减少耦合网络带来的噪声，必须满
（1）并联型：
VCC
Zs Zcp
Vs ~
ri 无噪声
+
ri 无噪声
-VEE
-