光電二極管(PD)如何選型?

發布日期:2023-05-30 10:08:47   瀏覽量 :860
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PD(光電二極管)是一類應用非常廣泛的光探測器件,作為PD市場的深度玩家,濱松具有千種PD型號,不僅涵蓋了從紫外到近紅外直至太赫茲區域等寬廣的波長范圍,而且金屬、陶瓷、塑料封裝到表面貼裝等各種封裝類型一應俱全。

面對如此海量的PD型號,選型中就肯定繞不開參數表——只有將各參數項吃透,了解數值代表的是哪個范疇的意義,才不會對產品的性能產生誤判,從而選擇到最為合適目標應用的產品。

濱松PD從研發、生產,到檢驗、組裝都由日本本部工廠完成,目前有上千種標準型號,且提供定制化服務。濱松PD不僅具有快速響應、高靈敏、低噪聲等特性,而且批次間一致性好在業界有口皆碑,已經廣泛地應用于醫療、分析、安全、計測、光通信以及消費電子等中。


濱松PD常見參數項解析

我們主要從濱松PD樣本中常見的參數項著手:

 光靈敏度(S,Photosensitivity&  光譜響應范圍(Spectral response range)

 濱松PD參數中的光靈敏度(單位:A/W)為光電流(單位:A)與特定波長入射光輻射能通量(單位:W)的比值。

濱松的樣本中,一般都會包含一張光靈敏度(Photosensitivity)vs波長(wavelength)的圖。而在參數表中,除了會給出光靈敏度最高的波長(Peak sensitivity wavelength,見標識②)之外,有時也會列出幾個特定波長的光靈敏度供快速查詢(見標識①)。

溫度也會對光靈敏度造成一定影響,一般說來,在比光靈敏度峰值波長長的波段內,溫度與光靈敏度正相關;而在比光靈敏度峰值波長短的波段內,光靈敏度則不隨溫度變化。

濱松PD的參數表中基本都會列出光譜響應范圍(Spectral response range,見標識②),其定義為光靈敏度高于最大值5%或10%的波長范圍。

量子效率(QE,Quantum efficiency)

量子效率定義為特定波長的光照下,最終形成光電流的電子(或空穴)數目占總入射光子的百分比。單位一般為%。由于不同波長的光子能量不同,所以QE的峰值是可能與光靈敏度(Photosensitivity)不一樣的。兩者的換算公式為:

 短路電流(Isc,Short circuit current)

短路電流是對于沒有負載電阻(Loading resistance)的PD電路中(可以理解為直接用導線接通PD的兩極),受到光照時所產生的電流大小。

濱松PD參數中所給出的短路電流都是采用色溫為2856K鎢燈,照度(illuminance)100 lux時的值,所以參數表中會寫作“Short circuit currentIsc 100 lx”(見標識③)。在一些型號的樣本中,還會額外給出短路電流vs照度的曲線(Short circuit current linearity)以顯示其線性關系。

光靈敏度 vs 短路電流

對比兩個概念,雖然兩者都能夠反映出PD的靈敏度。但特別需要注意的是,光靈敏度(Photosensitivity)對應的是一個能量的概念,我們是可以說“某某波長的光靈敏度是多少”的;而短路電流(Short circuit current)則對應于光度學(Photometry)中的照度(illuminance),照度和人眼相關的,所以短路電流并不能和波長去一一對應。

 暗電流(ID,dark current)&   暗電流溫度系數(Tcid,Temp. coefficient of ID)

當電路中加上了反向電壓(VR)時,會一直有電流通過PD,這個電流甚至在PD不感光時也依然存在,所以稱之為暗電流。暗電流是PD噪聲的三個主要來源之一(另外兩個中,一個是分流電阻Rsh所造成的熱噪聲,本文的相關章節會提到;一個是天生無法避免的來自信號本身的散粒噪聲shot noise,其原理可以類比后面馬上要解釋的暗電流帶來噪聲的原理)。但暗電流本身不是噪聲,暗電流的不確定性(其實就是來自暗電流的散粒噪聲)才是噪聲。

舉個具體的例子,假設暗電流為100pA,實際的暗電流則是會在100pA左右波動,這一時刻可能是97pA,下一時刻又變成101pA,這個不確定性的絕對量隨著暗電流的變大會變大,所以暗電流越大,PD的噪聲就越大。

 暗電流的產生可以理解為來自PD內部電子的熱運動,主要相關的參數有二:反向電壓(VR)和溫度。直觀地理解:

1)、反向電壓(VR)越強,PD中電場越強,熱運動產生的自由電子(載流子)就越可能被電場驅動成為電流,那么暗電流也就越強。相應的,幾乎所有的濱松PD樣本中都會有一張圖(Dark current vs Reverse voltage)來標明相應型號中具體的情況,而參數表中也會給一個特定反向電壓下的暗電流數值作為最直觀的參考;

2)、溫度越高,PD中電子的熱運動越厲害,就可能由此產生更多的自由電子(載流子),故而暗電流也會更大。參數表中的Tcid(Temp. coefficient of ID,在一些樣本中,由于排版原因,被錯誤地顯示成了“Temp coefficient of TCID”)就反應了具體PD型號中溫度對于暗電流的影響程度,TCID越大,相應型號PD的暗電流隨溫度變化越大。

 分流電阻(Rsh, Shunt resistance)

PD的伏安曲線是非線性的,但是當電壓在0V附近時,PD的伏安曲線近乎線性。濱松PD樣本中的分流電阻(Rsh,見標識⑥)就定義為沒有光照且反向電壓(VR)為10mV的情況下,反向電壓與暗電流的比值。

分流電阻(Rsh)對應的熱噪聲與分流電阻的二分之一次方成反比。這個噪聲在不加反向電壓的PD電路中是噪聲的主要來源(當然,無論什么情況下,隨著信號越來越強,信號本身的散粒噪聲也會相應增大,最終成為主要噪聲來源)。此外,在一些型號的樣本中,還給出了分流電阻vs溫度的曲線(shunt resistance temperature characteristics)。

 噪聲等效功率(NEP,noise equivalent power)

信噪比為1時所對應的光信號輻射能通量可以看作是PD的探測下限。因為噪音與頻率的二分之一次方成正比,所以PD的探測下限不僅與探測波長的光靈敏度(Photo sensitivity)相關,也與頻率相關。濱松樣本中所提供的噪聲等效功率NEP單位為W/Hz^0.5,為噪聲電流(單位:A/Hz^0.5)與光靈敏度S(單位:A/W)的比值。特別的,濱松樣本中的NEP均對應于光靈敏度的峰值波長(見標識⑦)。

總的來說,NEP越小,代表此型號PD的探測下限越低,也就越適合于弱光探測。當需要計算頻率為f,波長為a的情況下所能探測的最小輻射能通量時,我們需要先從樣本中查到光靈敏度峰值波長的光靈敏度S(peak)以及a波長的光靈敏度S(a),然后代入以下公式進行計算。

 上升時間(tr,Rise time)

 在濱松的參數中,上升時間(tr)定義為信號強度從最終強度的10%上升到90%所用的時間。終端電容(Ct)下降,反向電壓(VR)上升和負載電阻(RL)下降均可以縮短上升時間(tr)并最終提升PD的響應速度。

截止頻率(fc,Cutoff frequency)

當光電二極管接收到激光二極管等發射的正弦調制光波時,其截止頻率fc定義為光電二極管的輸出(電流或電壓)相比于100%輸出下降3 dB時的頻率。截止頻率(fc)與上升時間(tr)的換算公式為:tr(s)=0.35 / fc(Hz)。

 終端電容(Ct)& 結電容(Cj)

 由于耗盡層的存在,PD的PN結中會形成一個等效電容,稱作結電容(Cj)。濱松所給出的終端電容(Ct)是在沒有光信號時的PD總電容,包含了結電容(Cj)和封裝時所產生的寄生電容(package stray capacitance),是一個更加實用的數據。一般說來,終端電容(Ct)越大,響應速度越慢——通俗地理解,電容大了,充放電時間變長,最終影響PD輸出信號的時效性。

反向電壓(VR,Reverse voltage)

對于PD中的PN結,從P端到N端的電場/電壓為正向的;反之為反向。電路中加到PD上的反向電壓有如下作用:

 1)、加一個反向電壓可以提升PD的時間相應屬性,或者說,從接收到光信號到輸出電信號的時間更短;

 2)、加一個反向電壓,能夠測更強的光(或者說,提升線性范圍的上限)。通俗的解釋如下:PN結的內電場是個反向的,光一照,新增的載流子順著內電場(對應的就是接觸電勢差,Vbi)的方向運動,從整個PN結來看就有了一個正向的開路電壓了(Voc)。但是開路電壓的絕對值是不可能高于接觸電勢差的,因為當兩者一樣的時候,合起來電壓為0,再多的載流子,沒有了電壓也不會形成電流,從而無法進一步增加開路電壓了。在這種情況下,所能測得光照強度是有限的。但是如果外加一個反向電壓(VR),就相當于把這個上限提升了,之后PD就可以對更強的光產生響應而不會飽和;

 3)、反向電壓會帶來暗電流(ID),詳細分析見以上暗電流部分。

 需要注意的是,過大的反向電壓會導致擊穿。PD能夠不被擊穿正常工作的最大電壓即為最大反向電壓(VR max)。

負載電阻(RL,Load resistance)

 在最基礎的一類光電二極管工作電路中(如下圖),負載電阻可以將光電流轉化為電壓便于測量。

同樣的光電流,負載電阻越大,轉化出的電壓越大(但無法超過反向電壓和PN結內電場對應電壓的和)。但是:

1)、負載電阻越大,檢測上限會越低(或者說會減小線性范圍的上限);

2)、負載電阻的大小會影響到PD對光信號的相應速度,負載電阻越大,響應越慢。


PD選型常見問題解析

在實際情況中,PD的“響應速度”和“探測下限”是經常在咨詢中被提及,而它們之于上述的參數有著什么樣的關系呢?

響應速度

響應速度通常由上升時間(Rise time,tr)和截止頻率(Cutoff frequency, fc)進行描述。影響響應速度的三大要素為:

 1)、由終端電容(Ct)和負載電阻(RL)所決定的電路性質;

2)、耗盡層外載流子的擴散時間;

3)、載流子在耗盡層的渡越時間。

 相對于短波長光,較長波長的光通常會激發較多耗盡層外的載流子,故而其擴散時間延長,響應速度變慢。除此以外,以下三個手段是更常見的提升PD響應速度的手段:

 1)、選擇較低終端電容(Ct)的光電二極管;

2)、減小電路中的負載電阻(RL);

3)、通過加反向電壓(VR)也可以降低終端電容(Ct),最終得到更快的響應速度。(注意,暗電流隨著反向電壓的增加而增加。)

參數關系圖

FAQ

Q:如何通俗地理解:反向電壓升高會有利于響應速度變快?

A:加上越強的反向電壓,PN結中的電場也就越強,光子所打出的載流子在電場中的加速自然更快,所以整個器件的響應速度變快。


Q:許多其他廠家只給出了結電容(Cj,junction capacitance)的數據,這個和濱松給出的終端電容(Ct,terminal capacitance)有什么區別?

A:濱松所給出的終端電容(Ct)包含了結電容(Cj)和封裝時所產生的寄生電容(package stray capacitance),是一個更加實用的數據。


Q:濱松的上升時間(tr,rise time)和截止頻率(fc,cutoff frequency)都是如何定義的?

A:在濱松的參數中,上升時間(tr)定義為信號強度從最終強度的10%上升到90%所用的時間;截止頻率(fc)定義為當光電二極管接收到激光二極管等發射的正弦調制光波時,其截止頻率fc定義為光電二極管的輸出相比于100%輸出下降3 dB時的頻率。兩者的關系可以用下面這個公式進行近似換算:fc=0.35/tr。


探測下限

探測下限通常由噪聲等效功率(NEP,noise equivalent power)進行描述。探測下限主要由PD在對應波長的光靈敏度、光信號的頻率以及PD的噪聲特性共同決定。而PD的噪聲電流主要來自于三個方面:

1)、反向電壓(VR)所導致的暗電流(ID),VR越高,暗電流越大;

2)、分流電阻(Rsh)相關的熱噪聲:分流電阻越高,噪聲電流越低。在電路中不加反向電壓(VR)的情況下,這是最主要需要考慮的因素;

3)、光電流(信號)所產生的不可避免的散粒噪聲電流。

參數關系圖

FAQ

Q:如何通俗地理解:反向電壓升導致暗電流上升?

A:加上越強的反向電壓,PN結中的電場也就越強,熱運動所產生的載流子就更加可能被電場驅動而最終生成電流。所以反向電壓越大,暗電流越大。

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