前置放大器与高阻抗有机光导探测器的匹配研究

〈材料与器件〉前置放大器与高阻抗有机光导探测器的匹配研究杨瑞宇，唐利斌，庄继胜，王晓璇（昆明物理研究所，云南昆明 650223）摘要：红外有机半导体探测器是一个新兴红外研究领域，并有着广阔的、诱人的应用前景。

而与之匹配的前置放大器，不但是展现材料和器件光电特性的核心部件，而且其性能将最终制约探测器的应用范围。

研究了红外有机半导体光导探测器与前置放大器的偏置方式、耦合方法和噪声特性等关键技术，并结合实验测试结果，系统讨论了有机高阻光导探测器与前置放大器匹配设计的一般规律。

关键字：有机材料；光导探测器；光电响应；前置放大器；低噪声中图分类号：TN215 文献标识码：A 文章编号：1001-8891(2009)05-0298-05The Study on the Matching Between Pre-amplifierand the High Resistance Organic Photoconductive DetectorYANG Rui-yu，TANG Li-bin，ZHUANG Ji-sheng，WANG Xiao-xuan(Kunming institute of physics, Kunming Yunnan 650223,China)Abstract：The research of IR-detector based on organic material is becoming a popular field. The wider application appears a prosperous foreground. The pre-amplifier matching the detector, is not only the key component which shows the performance of the IR photoelectric material and device, but also an important factor limiting the application of the detector. The paper investigated the key technologies, the bias mode, the coupling method and the noise property, and discussed the design rule of match between the pre-amplifier and the organic photoconductive detector.Key words：organic material；photoconductive detector；photoelectric response；pre-amplifier；low noise引言有机半导体材料相对于无机半导体材料，以高性价比、溶解性好、易加工成大面积柔性器件和通过分子剪裁可调控光电性能的优势，近年来在国内外半导体研究领域受到广泛关注，并有相应较为成熟的工程化产品面世。

目前，有机半导体材料的应用研究主要集中在有机发光二极管、有机场效应晶体管和有机光伏太阳能电池上，并已成功地应用于信息、能源、环保、医疗、农业、国防等各个领域[1]。

有机半导体，在现阶段的光电特性研究和应用中，主要集中于可见光、紫外、红外光谱的应用研究。

有机红外探测器仍属于前沿课题，受限于研究历史较短，器件、材料的基础理论尚未完全成熟。

红外有机光导探测器较之其他半导体主流器件，虽然有材料、器件工艺简单，成本低廉的优点，但仍不能得以补偿其响应率、灵敏度较低的缺憾。

因此，由后续的放大器电路放大其微弱光电信号，并提高和补偿器件性能的方法不失为一良策。

通常，前置放大器的性能主要由其放大器的第一级决定。

在红外光导探测器的前置放大器的设计中，除了需要考虑噪声匹配的设计，为了让有机红外光导探测器的性能得到最优的体现，更重要的是还需要考虑到探测器与前置放大器的匹配设计，其主要包括耦合模式的选择、探测器偏置方法的选择和阻抗匹配结构的设计。

本研究以昆明物理研究所自主研制红外有机探测器为设计蓝本，对此探测器与前放的匹配进行了详细分析和讨论。

本文所选择的探测器，其特点是高阻抗，表现了一定的电容特性。

其典型阻抗参数为：等效电阻约为1011 Ω，等效电容10pF。

收稿日期：2009-02-11.作者简介：杨瑞宇（1977-），男，云南昭通人，硕士研究生，研究方向为红外探测器测试及信号处理。

基金项目：国防重点基金(编号：A0920060876)2982991 光导探测器工作机理由光导型探测器的工作机理知，为了使探测器能正常工作，必须为器件提供相应的偏置电流（电压） [2]。

现假设有一个光电导探测器的光敏面大小为：长为l ，宽为w ，厚度为d （面积即为A d ＝l ×w ），V B 和E (＝V B /l )为器件两端的偏置电压和内部的电场强度。

如图1所示：图1 光导探测器工作原理图Fig.1 The sketch map of the photoconductive detector’sprincipium图中：如果入射到探测器的辐射功率为P λ（Φλ为其辐射通量），波长为λ，探测器接收的红外辐射通量为：Φλ＝A d λP λ/hc (1)式中：h 为普朗克常数；c 为光速。

若η为此探测器的量子效率，则载流子产生率为g =ηΦλ。

再设τn ，τp （且令τn =τp =τe ）为探测器的电子和空穴寿命，对探测器内部的本征激发光生载流子数，有：dg dwlhc P ηp n τλτλ==∆=∆ (2) 进一步，假设µn ，µp 分别是电子和空穴迁移率，e 为电子电量，则引起的电导率改变，即光电导为：dwlhcP λλητµτµσ)(e p p n n +=∆ (3)利用欧母定律（电流密度j =σE =σV /l ），可得信号光电流表达式如下：lV dwlhc P wde Ewd i Bp p n n s )(ληλτµτµσ+=∆= (4)若n 、p 为器件N 型和P 型的自由载流子浓度，从微观上看，器件样品电阻值有如下表达式：wdlp n R )(e 1p n d µµ+=(5)设N 为无红外光子入射时，敏感元器件内的自由载流子总数，则有：N = (n +p )dA d (6)由(4)×(5)，将(6)带入，得到器件在串联偏置电阻值R L 下，对正弦频率ω的光电信号的响应电压为：2/12e 2d L ed L B A )1()(τωτηλ++=∆N R R hc P A R V U (7)于是，式(7)提供了这样一种思路：对于内部光电性能参数一定光导探测器，优化探测器和前放前级匹配的参数的重点在于，优化偏置电源电压V B 、电流值I B 和偏置电阻值R L 。

2 有机探测器的偏置方式比较和选取从上面的讨论可知，偏置电压（电流）在很大程度上将决定探测器的响应率。

一般情况下，探测器的偏置电源由前置放大器提供，与前放的耦合方式将制约其偏置方式和偏置电流的大小。

所以探测器的偏置工作点的选取也属于前放设计的一部分。

一般情况下，光导探测器的偏置方式有4种：1）匹配偏置，负载电阻R L 等于光电导器件暗电阻R d ；2）恒流偏置，负载电阻R L 远大于光电导器件暗电阻R d ，在此条件下，器件工作过程中偏置电流不随光照而变；3）恒压偏置，负载电阻R L 远小于光电导器件暗电阻R d ，在此条件下，器件工作过程中偏置电压不随光照而变；4）微波偏置，偏置电源通过微波方式与器件耦合[3]。

探测器在4种偏置方式下工作，有不同的响应率和信噪比。

但对前放的结构和外加偏置电源，也提出了相应的要求。

所以，3种偏置方式有不同的应用背景。

对于恒流偏置，适应于探测器内阻较小，外加偏置电源电压较高的情况；恒压偏置适应于探测器内阻较大，外加偏置电源电压较低的情况；匹配偏置是恒压、恒流的折衷，但其适用条件是：器件工艺较为成熟，器件的电阻值较为稳定；微波偏置，适用于要求更高的光电检测应用背景，其代价是系统复杂，需要后续的信号处理电路，成本较高，一般不予采用。

考虑到设计针对的探测器阻抗较高（≈1011 Ω），如采用恒压偏置，将引入阻值更大（至少大于1012 Ω）的偏置电阻，电路的热噪声将进一步增大到设计不可接受的范围；同时提供偏置所需高电压也不现实，所以设计采用了恒压偏置。

同时为了进一步简化电路的结构，电路前级采用了结型场效应管的自偏置电路结构，如下图2所示。

图中，探测器等效电阻和电容为R d 和C d ，偏置电阻和电路的分布电容之和C L ，其偏置方式可等效为恒压偏置。

结型场效应管（JFET ）J 1的栅漏电流I G ，流过偏置电阻R L 产生的压降即为探测器的偏置电压，其大小可通过调整R L 的阻值达到优化。

图3的设计除了使偏置电源的设计变得精练，另一个优点是通过调整R L 和C L 的组合，就可以灵活地调整电路的响应时间和系统的响应率。

图2 设计中的探测器与前放的前级耦合示意图Fig.2 The sketch map of the pre-amplifier matching the detector3 耦合的方式比较和选择光导探测器与前放耦合的方式一般有：1）交流耦合；2）直接耦合。

最常用的耦合方式为交流耦合，其优点是，前放的静态工作点与器件的工作点无关，通过调整隔直电容和放大器输入阻抗的大小，就可以合理地选取电路的低频工作点。

但其缺点是：对于高阻探测器，隔直电容将消弱放大器对探测器信号的响应率；引入的额外电抗项，将使噪声匹配失配。

最终，致使前置放大器不能有效提取探测器的有用信号。

有机光导探测器光电响应信号极其微弱，其电阻值也极高，本身就可以等效为一个Q值（品质因素）较小的电容器，若采用交流耦合，实际等效为串联了一个Q 值较大的电容器，其结果不但使可能使原始信号产生了畸变，更可能无法提取探测器有用的响应信号，所以本文的设计更适用于直接耦合方式。

4 阻抗变换电路的必要性当有机光电探测器的阻抗达到1011 Ω左右时，探测器两端表现一定的电容效应，因此探测器模型不能简单的看作一个光电导探测器，而必须考虑探测器两端的等效电容，在器件小信号模型中，可将其等效为一电容传感器。

因为同时由于存在小功率问题，探测器输出的能量极其微弱，加上电缆的分布电容和干扰噪声等因素，电流输出驱动能力很差，所以需要源跟随器作阻抗匹配。

当探测器自身阻抗接近1011 Ω，简单的依靠选取JFET器件的输入阻抗，来提高输入阻抗的方式，将会使元器件的选取和电路低噪声性能之间产生矛盾。