硅光电二极管 电路
光电二极管 积分电路
光电二极管积分电路
光电二极管积分电路是一种常见的电路配置，它结合了光电二极管和积分电路的特性，用于将光信号转换为电压信号并进行积分处理。
光电二极管是一种能够将光信号转换为电流或电压信号的器件，而积分电路则可以对输入信号进行积分运算，输出其积分值。
将它们结合起来可以实现光信号的积分处理，常用于光电测量、光通信和光学传感器等领域。
从电路结构上看，光电二极管积分电路通常由光电二极管、运放、电容器和电阻等元件组成。
光电二极管接收光信号并将其转换为电流或电压信号，这个信号经过放大后输入到积分电路中进行积分处理。
积分电路由电容器和电阻组成，能够对输入信号进行积分运算，并输出积分值。
通过合理设计电路参数和选择器件，可以实现对光信号的精确积分处理。
在实际应用中，光电二极管积分电路被广泛应用于光学测量和光学传感器系统中。
例如，在光学测量中，通过将光信号转换为电压信号并进行积分处理，可以得到光信号的积分值，从而实现对光强、光功率等参数的测量和分析。
在光学传感器系统中，光电二极管积分电路可以用于实现对光信号的处理和解调，提高系统的灵敏
度和动态范围。
总的来说，光电二极管积分电路是一种能够将光信号转换为电
压信号并进行积分处理的电路配置，具有广泛的应用前景和重要的
意义。
通过合理设计和应用，可以实现对光信号的精确测量和分析，推动光学技术在各个领域的发展和应用。
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。
光电二极管检测电路的组成及工作原理
光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。
许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。
光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。
在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。
而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。
看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。
为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。
本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。
首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。
以上两步是完成设计过程的开始。
第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。
1 光检测电路的基本组成和工作原理设计一个精密的光检测电路最常用的方法是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。
这种方式的单电源电路示于图1中。
在该电路中,光电二极管工作于光致电压（零偏置）方式。
光电二极管上的入射光使之产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。
由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。
输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。
图中的放大系统将电流转换为电压,即V OUT = I SC×R F（1）图1 单电源光电二极管检测电路式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。
图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。
用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。
硅光电二极管
硅光电二极管硅光电二极管是当前普遍应用的半导体光电二极管。
下面我们谈谈2CU和2DU两种类型硅光电二极管的种类、构造以及应用上的一些问题。
种类与构造一、2CU型硅光电二极管：2CU型硅光电二极管是用N型硅单晶制作的，根据外形尺寸的大小它又可分2CU1，2CU2，2CU3等型号，其中2CU1与2CU2体积较大，2CU3稍小些（见图1（a））。
这种类型的光电二极管多用带透镜窗口的金属管壳封装，下端有正、负两个电极引线，它们分别与管心中的光敏面（P型层）和N型衬底相连。
光线从窗口射入后经透镜聚焦在管心上，由于这种聚光作用增强了光照强度，从而可以产生较大的光电流。
二、2DU型硅光电二极管：2DU型硅光电二极管是用P型硅单晶制作的，从外形上分有2DUA，2DUB等类型，其中2DUA型管子体积较小些（见图1（b））。
2DU型硅光电二极管目前多采用陶瓷树脂封装，入射光的窗口不带透镜。
这类管子引线共有三条，分别称作前极、后极、环极（见图1（b））。
前极即光敏区（N型区）的引线；后极为衬底（P型区）的引线；环极是为了减小光电管的暗电流和提高管子的稳定性而设计的另一电极。
光电管的暗电流是指光电二极管在无光照、最高工作电压下的反向漏电流。
我们要求暗电流越小越好，这样的管子性能稳定，同时对检测弱光的能力也越强。
为什么加了环极后就可以减小2DU型硅光电二极管的暗电流呢？这要从硅光电二极管的制造工艺谈起。
在制造硅光电二极管的管心时，将硅单晶片经过研磨抛光后在高温下先生长一层二氧化硅氧化层，然后利用光刻工艺在氧化层上刻出光敏面的窗口图形，利用扩散工艺在图形中扩散进去相应的杂质以形成P－N结。
然后再利用蒸发、压焊、烧结等工艺引出电极引线。
由于2DU型硅光电二极管是用P型硅单晶制造的，在高温生长氧化层的过程中，容易在氧化层下面的硅单晶表面形成一层薄薄的N型层，这一N型层与光敏面的N型层连在一起则使光电管在加上反向电压后产生很大的表面漏电流，因而使管子的暗电流变得很大。
光电技术综合实验指导 - (下)
实验2.5 光电二极管的特性参数及其测量1. 实验目的：硅光电二极管是最基本的光生伏特器件，掌握了光电二极管的基本特性参数及其测量方法对学习其他光伏器件十分有利。
通过该实验，要熟悉光电二极管的光电灵敏度、时间响应、光谱响应等特性。
2. 实验仪器：① GDS-Ⅲ型光电综合实验平台1台； ② LED 光源1个； ③ 光电二极管1只；④ 通用光电器件实验装置2只； ⑤ 通用磁性表座2只； ⑥ 光电器件支杆2只； ⑦ 连接线20条；⑧ 40MHz 示波器探头2条；3. 基本原理：光电二极管是典型的光生伏特器件，它只有一个PN 结。
参考“光电技术”第3章3.1节的内容，光电二极管的全电流方程为I =⎪⎭⎫ ⎝⎛-1kT qUD e I λαλη,e )1(Φe hcq d --- （2.5-1） 式中前一项称为扩散电流，也称为暗电流，用I d 表示；后一项为光生电流，常用I P 表示。
显然，扩散电流I d 与加在光电二极管上的偏置电压U 有关，当U =0时，扩散电流为0。
扩散电流I d 与偏置电压U 的关系为⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1kT qUD d e I I （2.5-2） 式中，I D 为PN 结的反向漏电流，与材料中的杂质浓度有关；q 为电子电荷量，k 为波尔兹曼常数，T 为环境的绝对温度。
显然，式（2.5-2）描述了光电二极管的扩散电流与普通二极管没有什么区别。
而与入射辐射有关的电流I p 为 λe,p )1(Φe hcq I d αλη---= （2.5-3）式中， h 为普朗克常数，α为硅材料的吸收系数，d 为光电二极管在光行进方向上的厚度，λ为入射光的波长。
显然，对单色辐射来讲，当光电二极管确定后，上述参数均为常数。
因此，结论为光电二极管的光电流随入射辐射通量Φe ，λ线性变化，式中的负号表明光生电流的方向与扩散电流的方向相反。
图2.5-1 光电二极管偏置电路4. 实验内容：1、 光电二极管光照灵敏度的测量2、 光电二极管伏安特性的测量3、 光电二极管时间响应特性的测量5. 实验步骤：（1）搭建实验电路① 认识光电二极管从外形看，光电二极管、光电三极管和φ5“子弹头”式LED 发光二极管的外形非常相似，它们均有两个电极（管脚），且，一长一短，较长电极定义为正极，较短电极为负极。
光电二极管放大路工作原理
光电二极管放大路工作原理————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：光电二极管放大电路工作原理在用于光检测的固态检波器中，光电二极管仍然是基本选择。
光电二极管广泛用于光通信和医疗诊断。
其他应用包括色彩测量、信息处理、条形码、相机曝光控制、电子束边缘检测、传真、激光准直、飞机着陆辅助和导弹制导。
设计过程中，经常会优化用于光电模式或光敏模式的光电二极管。
响应度是检波器输出与检波器输入的比率，是光电二极管的关键参数。
其单位为 A/W 或 V/W。
前置放大器在高背景噪声环境中提取传感器生成的小信号。
光电导体的前置放大器有两类：电压模式和跨导（图 2）。
图 3c 所示的跨导放大器结构产生的精密线性传感性能是通过“零偏压”光电二极管实现的。
在此配置中，光电二极管发现输出间存在短路，按照公式 3 （Isc =Ilight），基本上不存在“暗”电流。
光电二极管暴露在光线下且使用图 2c 的电路时，电流将流到运算放大器的反相节点，如图 3 所示。
若负载（RL）为0 Ω且 VOUT = 0 V，则理论上光电二极管会出现短路。
实际上，这两种状况都绝对不会出现。
RL 等于 Rf/Aopen_loop_Gain，而 VOUT 是放大器反馈配置施加的虚拟地。
图 4所示电路是一个高速光电二极管信号调理电路，具有暗电流补偿功能。
系统转换来自高速硅PIN光电二极管的电流，并驱动20 MSPS模数转换器（ADC）的输入。
该器件组合可提供400 nm至1050 nm的频谱敏感度和49 nA的光电流敏感度、91 dB的动态范围以及2 MHz的带宽。
信号调理电路采用±5 V电源供电，功耗仅为40 mA，适合便携式高速、高分辨率光强度应用，如脉搏血氧仪。
光电二极管工作时采用零偏置（光伏）模式或反向偏置（光导）模式。
光伏模式可获得最精确的线性运算，而让二极管工作在光导模式可实现更高的开关速度，但代价是降低线性度。
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案目录一、内容描述 (2)二、光电二极管基本知识 (3)1. 光电二极管的工作原理 (4)2. 光电二极管的特性与参数 (4)三、光电二极管检测电路的工作原理 (6)1. 光电检测电路的基本概念 (7)2. 光电检测电路的工作原理详解 (7)四、设计方案 (9)1. 设计目标及要求 (10)2. 电路设计 (11)（1）电路拓扑结构 (12)（2）元器件选择与参数设计 (13)3. 信号处理与放大电路 (15)（1）信号输入与处理电路 (16)（2）信号放大电路 (17)4. 电源及辅助电路设计 (18)（1）电源电路设计 (20)（2）保护及指示电路设计 (21)五、实验验证与优化 (22)1. 实验设备与工具准备 (23)2. 实验操作流程及步骤说明 (24)3. 数据记录与分析处理 (25)4. 电路性能评估与优化建议 (26)六、实际应用场景及推广价值 (27)1. 实际应用场景分析 (28)2. 推广价值及市场前景展望 (29)七、总结与展望 (30)一、内容描述光电二极管检测电路是一种基于光电效应工作的电子检测电路，主要用于检测光信号的强度或光照度。
该电路通过光电二极管将光信号转换为电信号，进而实现对光信号的测量、监控和控制。
本文将详细介绍光电二极管检测电路的工作原理及设计方案。
在光电二极管检测电路中，光电二极管作为核心元件，其工作原理主要基于光电效应。
当光线照射到光电二极管时，光子能量被材料中的电子吸收，从而使电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对，产生光生电流。
通过测量光生电流的大小，可以反映光照度的强弱。
根据不同的应用场景和需求，光电二极管检测电路的设计方案也有所不同。
常见的设计方案包括：直接测量法：通过测量光电二极管产生的光生电流来直接反映光照度。
这种方法简单直观，但受限于光电二极管的响应速度和灵敏度，适用于低光照度测量。
信号放大法：通过对光电二极管产生的光生电流进行放大处理，可以提高测量灵敏度和精度。
光电二极管特性测试及其变换电路
光电二极管特性测试及其变换电路1实验目的(1)学习掌握光电二极管的工作原理(2)学习掌握光电二极管的基本特性(3)掌握光电二极管特性测试的方法(4)了解光电二极管的基本应用2实验内容(1)光电二极管暗电流测试实验(2)光电二极管光电流测试实验(3)光电二极管伏安特性测试实验(4)光电二极管光电特性测试实验(5)光电二极管时间特性测试实验(6)光电二极管光谱特性测试实验3实验仪器(1)光电器件实验仪1台(2)示波器1台(3)万用表1个(4)计算机1套4实验原理光电二极管又称光敏二极管。
制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。
由于硅器件较锗器件暗电流、温度系数都小得多,加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此,硅光电二极管得到了广泛应用。
光电二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图1（a）是其结构示意图。
光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图1（b）所示。
（a）结构示意图（b）基本电路图1 光电二极管结构图PN结加反向电压时，反向电流的大小取决于P区和N区中少数载流子的浓度，无光照时P区中少数载流子(电子)和N区中的少数载流子(空穴)都很少，因此反向电流很小。
但是当光照射PN结时，只要光子能量hv大于材料的禁带宽度，就会在PN结及其附近产生光生电子—空穴对，从而使P区和N区少数载流子浓度大大增加。
这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N 区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压（P区接负，N区接正）作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光照度的变化而相应变化。
光电流通过负载R L时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号如果入射光的照度改变，光生电子—空穴对的浓度将相应变动，通过外电路的光电流强度也会随之变动，光敏二极管就把光信号转换成了电信号。
硅光二极管光电检测电路的研究与设计_郑培超
文从硅光二极管光电检测电路线性响应和噪声特性 2 个方面， 对微弱光电检测中电路结构形式和器件 芯片选择的相关要求做了详细分析， 并应用新 PIN 型硅光二极管型探测器件 DET36A 搭配低噪声、 高 增益的 ICL7650 芯片， 设计测试了一种结构简单、 输 出特性优良的光电检测电路， 且实验测试表明， 在搭 该检测电路可方便应 配一个凸透镜做聚光处理后， 用于微弱光检测工程环境。
［9 ］
。
图1 Fig． 1
硅光二极管等效检测电路结构
载尽量满足 R L = 0 才能保证检测电路输出端具有良 好的线性响应。因此， 根据运放电路正常工作时输 “虚短” 特性， 可将硅光二极管跨接于运放电路 入端 正反相输入端， 其检测电路原理图如图 2 所示。 图 2 中， R f 为反馈电阻； C f 为反馈电容， 并联在 R f 两 端， 可有效防止因 R f 过大而引起的检测电路自激，
Abstract： In order to meet the requirement of light signal detection with higher precision， the linear response and noise characteristics of photoelectric detection circuit using silicon photodiode was analyzed，and the basic requirements of the related devices selection and the form of circuit design was suggested． The silicon photodiode detector（ DET36A） and operational amplifier chip with low noise and high precision （ ICL7650 ） were used to design a simple photoelectric detection circuit for weak light environment． The experiment result shows that the circuit has the characteristics of low noise and good linear response with the weak light intensity in the ranger of 0． 1 ～ 10Lux． Key words： silicon photodiode； low noise； linearity； ICL7650
光电二极管特性测试及其变换电路
式中， 为波长为 时的入射光功率； 为光电探测器在入射光功率 作用下的输出信号电压； 则为输出用电流表示的输出信号电流。
通常，测量光电探测器的光谱响应多用单色仪对辐射源的辐射功率进行分光来得到不同波长的单色辐射，然后测量在各种波长辐射照射下光电探测器输出的电信号V(λ)。然而由于实际光源的辐射功率是波长的函数，因此在相对测量中要确定单色辐射功率P(λ)需要利用参考探测器（基准探测器）。即使用一个光谱响应度为 的探测器为基准，用同一波长的单色辐射分别照射待测探测器和基准探测器。由参考探测器的电信号输出（例如为电压信号） 可得单色辐射功率 ，再通过（1）式计算即可得到待测探测器的光谱响应度。
图5光电二极管伏安特性电路图
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源驱动模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。将三掷开关S2拨到“静态”。
（3）按图2-3所示的电路连接电路图，E选择0-15V直流电压，负载RL选择RL=2K欧。
（4）打开电源，顺时针调节照度调节旋钮，使照度值为400Lx，保持光照度不变，调节可调直流电压电位器，记录反向偏压为0V、2V、4V、6V、8V、10V、12V时的电流表读数，填入下表，关闭电源。
(6)光电二极管光谱特性测试实验
3
(1)光电器件实验仪1台
(2)示波器1台
(3)万用表1个
(4)计算机1套
4
光电二极管又称光敏二极管。制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较锗器件暗电流、温度系数都小得多,加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此,硅光电二极管得到了广泛应用。
（3）按图2-3连接电路图，E选择0-15V直流电压，RL取RL=1K欧。
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案
光电二极管检测电路的工作原理及设计方案光电二极管检测电路是一种将光信号转换为电信号的装置，它广泛应用于各种光学测量和控制领域。
其工作原理是基于光电二极管的光电效应，通过将光信号照射到光电二极管上，使其产生电流输出，从而实现对光信号的检测。
设计一种光电二极管检测电路需要考虑以下几个方面：1.光电二极管的选择：要根据具体的应用需求选择合适的光电二极管。
通常，选择感光面积大、光谱响应范围广、响应速度快、噪声低的光电二极管。
2.光电二极管的放大电路：由于光电二极管输出的光电流较小，需要经过放大电路放大后才能得到可用的电信号。
常见的放大电路有共射放大电路和差动放大电路。
共射放大电路适用于单端输入，输出电压幅度大，但可能存在信号漂移和温漂的问题；差动放大电路适用于双端输入，具有较高的共模抑制比，但需要两个光电二极管。
3.滤波电路和信号处理：为了滤除噪声和杂散信号，可以在输出端串联一个滤波电路，如低通滤波器或带通滤波器。
如果需要对光信号进行进一步的处理，如放大、转换、逻辑判决等，可以根据具体需求添加相应的电路模块。
4.驱动电路：光电二极管通常需要外部电路来提供正向电流，以确保其正常工作。
驱动电路可以采用简单的电流源电路，或使用恒流源，以保持光电二极管工作在恒定的工作点。
5.反馈电路：为了提高光电二极管的线性度和动态范围，可以添加反馈电路。
常见的反馈电路有负反馈和光电二极管自反馈两种。
负反馈电路可以减小非线性失真，提高稳定性和抗干扰能力；光电二极管自反馈电路可以提高光电二极管的速度和线性度。
6.实际布局和封装：在设计光电二极管检测电路时，需要考虑电路的实际布局和封装，以保证信号的完整性和稳定性。
同时，要保持电路的抗干扰能力和可靠性。
总之，光电二极管检测电路的设计需要综合考虑光电二极管的特性、放大电路、滤波电路、信号处理电路、驱动电路、反馈电路等多个方面的因素。
根据具体应用需求和预算，选择合适的器件和电路方案，并进行合理的布局和封装，可以实现高性能、低噪声和稳定可靠的光电二极管检测电路。
3-4-3光电二极管
1. 工作原理
光电三极管的工作原理分为两个过程： 一是光电转换；二是光电流放大。 集电极输出的电流为：
I C = βI P
光电三极管的电流灵敏度是光电二极管的β倍。
2. 光电三极管特性 1）伏安特性
光电三极管在偏置电压为零时，无 论光照度有多强，集电极电流都为 零。偏置电压要保证光电三极管的 发射结处于正向偏置，而集电结处 于反向偏置。随着偏置电压的增高 伏安特性曲线趋于平坦。 光电三极管的伏安特性曲线向上偏斜，间距增大。这是因为光 电三极管除具有光电灵敏度外，还具有电流增益β，并且，β值 随光电流的增大而增大。
实验发现，在略低于击穿电压时，发生雪崩倍 增现象，M随反向偏压U的变化可用经验公式 近似表示：
1 M= 1 − (U/U BR ) n
3.噪声
由于雪崩光电二极管中载流子的碰撞电离是不规则的， 碰撞后的运动方向更是随机的，所以它的噪声比一般光电 二极管要大些。 雪崩光电二极管的噪声可近似由下式计算：
图（c）所示为光电二极管的电路符号
2、光电二极管的电流方程
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二 极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样。其 电流方程为：
qU kT I = I0 e − 1射作用到光电二极管上时， 光电二极管的全电流方程为 ：
光电二极管的光谱响应定义：以等功率的不同单色 辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波 长的关系称为其光谱响应。
4. 时间响应
PN结硅光电二极管的电流产生要经过三个过程： 1) 在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间， 称为漂移时间记为τdr ； 2) 在PN结区外产生的光生载流子扩散到PN结区内所 需要的时间，称为扩散时间记为τp； 3) 由PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻RL构成 的RC延迟时间τRC 。
国产 硅光电二极管
国产硅光电二极管
硅光电二极管是一种基于硅材料制成的半导体器件，它广泛应用于医疗和分析领域、科学计测、光通信以及一般性电子产品等领域。
硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。
2CU系列以N-Si 为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。
其中，2CU系列光电二极管只有两个引出线，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。
2DU管加环极的目的是为了减少暗电流和噪声。
目前，国产硅光电二极管已经实现了从金属、陶瓷、塑料封装到表面贴装的多种包装配备，并且可以依据用户要求提供专门的设计产品。
随着技术的不断发展，硅光电二极管的应用前景将会更加广阔。
硅光电二极管 电路
硅光电二极管电路硅光电二极管（Photodiode）是一种半导体器件，具有将光信号转换为电信号的功能。
在电路设计中，硅光电二极管广泛应用于光电转换、光通信以及光电探测等领域。
本文将介绍硅光电二极管电路的基本原理、特性以及应用。
一、硅光电二极管的基本原理硅光电二极管是一种PN结构的器件，其基本工作原理是光电效应。
当光照射到PN结上时，光子的能量会激发电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
由于PN结的电场分布，在外加电压的作用下，电子和空穴将沿着电场方向被分离，从而形成光电流。
硅光电二极管对光的敏感程度取决于光电二极管的材料、结构以及工作环境等因素。
二、硅光电二极管的特性1. 光谱响应特性硅光电二极管的光谱响应特性受到材料本身的能带结构和掺杂物的影响。
一般而言，硅光电二极管的光谱响应范围为可见光和近红外光。
不同型号的光电二极管对于不同波长的光有不同的响应度，通常以光电流-光照强度曲线来描述光电二极管的光谱响应特性。
2. 响应速度硅光电二极管的响应速度取决于芯片的结构和工作状态。
在光电二极管中，响应速度通常用上升时间和下降时间来表示，其数值越小，表示光电二极管的响应速度越快。
硅光电二极管在高频率下具有较快的响应速度，适用于光通信和高速光电探测等领域。
3. 噪声特性硅光电二极管的噪声特性影响其在低光强条件下的工作表现。
主要的噪声源包括热噪声、暗电流噪声和放大电路噪声等。
为了提高光电二极管的信噪比，降低噪声干扰，常采用降低温度、减小暗电流和优化放大电路等方法。
三、硅光电二极管电路的应用1. 光电转换硅光电二极管可以将光信号转换为电信号，用于光电转换领域。
例如，光电二极管可以用于光电计数器、光电传感器、光电开关等应用中，实现对光强度、光信号的探测和测量。
2. 光通信硅光电二极管作为光接收器件广泛应用于光通信系统中。
光通信系统利用光信号传输信息，硅光电二极管可以将接收到的光信号转换为电信号，并经过信号处理实现数据的传输和解码。
硅光电二极管的电流
hf
光子能量hf大于功函数时，电子可以吸收光子而逸出，否 则不论入射光多强，光电效应都不会发生。所以，任何一 种材料制作的光电二极管都有截止波长(Cutoff wavelength )C：
C
hc
1 . 24
( eV )
光波长大于这个值时，入射光子没有足够的能量激励检测 器，因而不能被检测到，波长小于这个值时，光子能量超 过功函数，能被检测到。
U iR 320 nV
Photomultiplier （PMT）
入射光子 阴极 倍增电极 阳极
二次发射 电子
Photomultiplier
每个倍增电极的增益(Gain)指每个入射电子所 产生的二次发射电子数的平均值。通常在2~6之 间。 假设每个倍增电极的增益为δ，总的增益为：
M
hf
e
e
例7.2，假定检测器在0.8um波段的量子效率 为1%，试计算其响应度。
i P
e
hc
0 . 0064 A / W 6 . 4 mA / W
例7.3，根据7.2结果，计算当检测器接收的 光功率为1uW时，一个50欧负载电阻两端的 电压。
i P 6 . 4 nA
例7.1，铯是一种常见的光致发光材料，其 功函数为1.9eV,计算其截止波长。
1 . 24 1 .9
0 . 65 m
光波长小于这个值时，光子能量超过功函数， 才能被铯阴极检测到。
Quantum Efficiency 量子效率
量子效率表示入射光子转换为光电子的效率。它 定义为单位时间内产生的光电子数与入射光子数之 比，即 发射电子数
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。
3-4-3光电二极管
3-4-3 光伏探测器——光电二极管 一、 硅光电二极管硅光电二极管是最简单、最具有代表性的光生伏特器件，其中，PN 结硅光电二极管为最基本的光生伏特器件。
1.1 硅光电二极管的工作原理 1、光电二极管的基本结构光电二极管可分为两种结构形式：以P 型硅为衬底的2DU 型 以N 型硅为衬底的2CU 型图（a ）为2DU 型光电二极管的原理结构图。
图（b ）为光电二极管的工作原理图 图（c ）所示为光电二极管的电路符号2、光电二极管的电流方程在无辐射作用的情况下（暗室中），PN 结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN 结二极管的特性一样。
其电流方程为：⎟⎠⎞⎜⎝⎛−=10kTqUeI I0I 为称为反向电流或暗电流。
当光辐射作用到光电二极管上时，光电二极管的全电流方程为 ： ))/exp(1(0kT qU I I I p −+−=式中p I 为光电流：*p E I S E =3 光电二极管的基本特性由光电二极管的电流方程可以得到光电二极管在不同偏置电压下的输出特性曲线。
光电二极管的工作区域应在图的第3象限与第4象限。
在光电技术中常采用重新定义电流与电压正方向的方法把特性曲线旋转，如图所示。
重新定义的电流和电压的正方向：与PN 结内建电场的方向相同。
① 光电二极管的灵敏度定义光电二极管的电流灵敏度为入射到光敏面上辐射量的变化引起电流变化d I 与辐射量变化之比。
dPd S I =电流灵敏度与入射辐射波长λ有关。
光电二极管的电流灵敏度与波长的关系曲线称为光谱响应曲线。
② 光谱响应曲线以等功率的不同单色辐射波长的光作用于光电二极管时，其电流灵敏度与波长的关系称为其光谱响应。
③ 时间响应PN 结硅光电二极管的电流产生要经过三个过程：1) 在PN 结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，称为漂移时间记为dr τ； 2) 在PN 结区外产生的光生载流子扩散到PN 结区内所需要的时间，称为扩散时间记为D τ；3) 由PN 结电容Cj 和管芯电阻Ri 及负载电阻L R 构成的RC 延迟时间RC τ 。
硅光电池(硅光二极管)的应用PPT课件
极管一样，只有单向导电性，而表现不出它的光电效应。
加反向电压时，伏安特性曲线常画成如下图所示的形式。
与硅光电池的伏安特性曲线图比较，有两点不同。 一是把硅光电池的伏安特性曲线图中Ⅰ、Ⅱ象限里的图线对
这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响 应速度最快的一种光电二极管。
噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。 由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工 作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的 噪声水平，以至无法使用。
4.7.4 光伏探测器使用要点
1）极性结型器件都有确定的极性，如要加电压使用时，光 电结必须加反向电压，即P端与外电源的低电位相接。
4.6 光电池
硅光电池结构示意如图
防反射膜
+
(SiO2）
p
n
SiO2
p
-
pn结 n
RL
+
-
硅光电池
光电池按材料分，有硅、硒、硫化镉、砷化镓和无 定型材料的光电池等。按结构分，有同质结和异质 结光电池等。光电池中最典型的是同质结硅光电池。 国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分 成2CR系列和2DR系列两种。2CR系列硅光电池是 以N型硅为衬底，P型硅为受光面的光电池。受光面 上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，前极 多作成梳状。衬底方面的电极称为后极或下电极。 为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上 涂有SiO2或MgF2，Si3N4，SiO2－MgF2等材料的防反 射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。
于纵轴反转了一下，变为上图(a)。这里是以横轴的正向代表 负电压，这样处理对于以后的电路设计很方便。 二是因为开路电压UOC一般都比外加的反向电压小很多，二者 比较可略而不计，所以实用曲线常画为上图(b)的形式。
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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。