光電二極管（Photo-Diode）工作原理 與輸出電壓計(jì)算

光電池與運(yùn)算放大器相連的典型應(yīng)用電路如下圖所示。

下圖中，Rf為反饋電阻，它的取值大小決定著電路的放大能力，亦決定著光控靈敏度。

接線時(shí)，要注意BP的正、負(fù)極性。如發(fā)現(xiàn)光控效果不好，只需將光電池正、負(fù)極調(diào)換即可。

光電二極管（Photo-Diode）是由一個(gè)PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，具有單方向?qū)щ娞匦浴?strong>光電二極管是在反向電壓作用之下工作的，在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。

輸出電壓=輸入光信號(hào) ×響應(yīng)度×50Ω負(fù)載

結(jié)光電二極管是一種基本器件，功能類似于普通的信號(hào)二極管，但在結(jié)半導(dǎo)體的耗盡區(qū)吸收光時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電流。光電二極管是一種快速、高線性度的器件，在應(yīng)用中具有高量子效率，適合多種應(yīng)用。

根據(jù)入射光確定期望的輸出電流水平和響應(yīng)度是有必要的。圖1描繪了一個(gè)結(jié)光電二極管模型，它由基本的獨(dú)立元件組成，這樣便于直觀地了解光電二極管的主要性質(zhì)，更好地掌握Thorlabs光電二極管的工作過(guò)程。

圖1: 光電二極管模型

光電二極管相關(guān)術(shù)語(yǔ)

響應(yīng)度

光電二極管的響應(yīng)度可以定義為給定波長(zhǎng)下光電二極管，產(chǎn)生的光電流(IPD)和入射光功率(P)之比：

工作模式(光導(dǎo)模式和光伏模式)

光電二極管有兩種工作模式：光導(dǎo)模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的選擇根據(jù)應(yīng)用中速度和可接受暗電流大小(漏電流)而定。

光導(dǎo)模式

處于光導(dǎo)模式時(shí)，有一個(gè)外加的偏壓，這是我們DET系列探測(cè)器的基礎(chǔ)。電路中測(cè)得的電流代表器件接受到的光照; 測(cè)量的輸出電流與輸入光功率成正比。 外加偏壓使得耗盡區(qū)的寬度增大，響應(yīng)度增大，結(jié)電容變小，響應(yīng)度趨向直線。 在這些條件下工作容易產(chǎn)生較大的暗電流，但可以選擇光電二極管的材料以限制其大小。(注: 我們的DET器件都是反向偏置的，不能在正向偏壓下工作。)

光伏模式

光伏模式下，光電二極管是零偏置的。器件的電流流動(dòng)受到限制，形成一個(gè)電壓。這種工作模式利用了光伏效應(yīng)，它是太陽(yáng)能電池的基礎(chǔ)。當(dāng)在光伏模式工作時(shí)，暗電流最小。

暗電流

暗電流是光電二極管有偏壓時(shí)的漏電流。在光導(dǎo)模式工作時(shí)，容易出現(xiàn)更高的暗電流，并與溫度直接相關(guān)。溫度每增加10°C，暗電流幾乎增加一倍，溫度每增加6 °C，分流電阻增大一倍。顯然，應(yīng)用更大的偏壓會(huì)降低結(jié)電容，但也會(huì)增加當(dāng)前暗電流的大小。

當(dāng)前的暗電流也受光電二極管材料和有源區(qū)尺寸的影響。鍺器件暗電流很大，硅器件的暗電流通常比鍺器件的小。下表給出了幾種光電二極管材料及它們相關(guān)的暗電流, 速度, 響應(yīng)波段和價(jià)格。

結(jié)電容

結(jié)電容(Cj)是光電二極管的一個(gè)重要性質(zhì)，對(duì)光電二極管的帶寬和響應(yīng)有很大影響。需要注意的是，結(jié)區(qū)面積大的二極管結(jié)體積也越大，也擁有較大的充電電容。在反向偏壓應(yīng)用中，結(jié)的耗盡區(qū)寬度增加，會(huì)有效地減小結(jié)電容，增大響應(yīng)速度。

帶寬和響應(yīng)

負(fù)載電阻和光電二極管的電容共同限制帶寬。要得到最佳的頻率響應(yīng)，一個(gè)50 Ω的終端需要使用一條50 Ω的同軸電纜。帶寬(fBW)和上升時(shí)間響應(yīng)(tr)可以近似用結(jié)電容(Cj)和負(fù)載電阻(Rload)表示：

噪聲等效功率

噪聲等效功率(NEP)是信噪比等于1時(shí)產(chǎn)生的RMS信號(hào)電壓。它是非常有用的參數(shù)，因?yàn)镹EP決定了探測(cè)器探測(cè)弱光的能力。一般而言，NEP隨著探測(cè)器的有源區(qū)而增大，且可以用下式表示：

在這里，S/N是信噪比，Δf是噪聲帶寬，入射能量的單位是W/cm2

終端電阻

使用負(fù)載電阻將光電流轉(zhuǎn)換為電壓(VOUT)以便在示波器上顯示：

根據(jù)光電二極管的類型，負(fù)載電阻影響其響應(yīng)速度。為達(dá)到最大帶寬，我們建議在同軸電纜的另一端使用50歐姆的終端電阻。其與電纜的本征阻抗相匹配，將會(huì)最小化諧振。如果帶寬不重要，您可以增大負(fù)載電阻(Rload)，從而增大給定光功率下的光電壓。終端不匹配時(shí)， 電纜的長(zhǎng)度對(duì)響應(yīng)影響很大，所以我們建議使電纜越短越好。