光电二极管

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定义:具有p-n或者p-i-n结构的探测光的一种半导体装置。

光电二极管常用作光探测器。这种装置包含一个p-n结,并且通常在n和p层中间有一层本征层。具有本征层的装置称为PIN型光电二极管。耗尽层或者本征层吸收光后产生电子-空穴对,它们对光电流有贡献。在很大的功率范围内,光电流都是与吸收光强严格成正比的。


工作模式

光电二极管可以在下面两个不同的模式下工作:

  • 光伏模式:类似于太阳能电池,可以测量受光辐照的光电二极管产生的电压。但是,电压与光功率之间的关系是非线性的,并且动态范围比较小。而且也不能达到峰值速度。
  • 光电导模式:这时二极管上施加反向电压(即,在该方向的电压下如果不存在入射光的情况下二极管是不导电的),然后测量得到的光电流。(保持电压接近于0就足够了。)光电流对光功率的依赖关系是非常线性的,其大小比光功率大六个数量级或者更多,例如,对于有源区为几个mm2的硅p-i-n光电二极管来说后者从几纳瓦到几十毫瓦。反向电压的大小对光电流几乎无影响,对暗电流(没有光时)的影响也很弱,但是电压越高,相应越快,并且装置加热也越快。

常见的放大器(也称为互阻抗放大器)通常用于光电二极管的预放大。这种放大器保持电压为常数(例如,接近于0,或者一些可调节的负数),这样光电二极管就工作在光电导模式。并且目前的放大器通常具有很好的噪声性质,并且与采用一个电阻器和电压放大器组成的简单回路相比,放大器的灵敏度与带宽之间可以更好的实现平衡。一些商用放大器装置采用了很多不同的灵敏度设置使实验室中测量功率非常灵活,因此可以得到很大的动态范围,低噪声,有的具有内置显示器,可调节的偏置电压和信号偏移,可调谐的滤波器等。


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图1:不同功率时光电二极管的电压特性。在光伏模式下(可见1 kΩ负载阻抗对应的线),响应是非线性的。在光电导模式下,这里给出的是采用一个简单回路,其中通过负载阻抗施加反向偏置,得到非常线性的响应。反向偏置为常数时得到的结果相同。


半导体材料

典型的光电二极管材料为:

  1. 硅(Si):暗电流小,速度快,在400-1000nm范围处灵敏度高(在800-900nm范围最高)
  2. 锗(Ge):暗电流大,由于寄生电容很大因此速度慢,在900-1600nm范围灵敏度高(在1400-1500nm范围内最高)
  3. 铟镓砷磷(InGaAsP):昂贵,暗电流小,速度快,在1000-1350nm范围内灵敏度高(在1100-1300nm范围最高)
  4. 铟镓砷(InGaAs):昂贵,暗电流小,速度快,在900-1700nm范围灵敏度高(1300-1600nm范围内最高)

如果采用具有更宽光谱响应的模型可以大大超过以上所述的波长范围。


关键性质

光电二极管最重要的性质为:

  1. 响应度,即光电流除以光功率,与量子效率相关,取决于波长大小
  2. 有源区,即光敏感区域
  3. 最大允许的电流(通常受饱和效应的限制)
  4. 暗电流(在光电导模式下存在,对于探测很低光强时非常重要)
  5. 速度,即带宽,与上升和下降时间有关,受电容率的影响

光电二极管的速度(线宽)通常受电学参数(电容率和外置阻抗)或者内在的效应(例如产生载流子的速度)的影响。高达几十GHz的带宽在小的有源区(直径小于1mm)和小的吸收体积的情况下能达到。这么小的有源区实际上可以得到,尤其是光纤耦合的装置中,但是它会限制得到的光电流,在1mA量级或者更小,对应的光功率约为2 mW或更小。需要光电流比较大,从而可以抑制散粒噪声和热噪声。(更高的光电流可以提高绝对散粒噪声,但是可以降低其对于信号的相对散粒噪声。)有源区越大(直径在1cm量级),可以处理更大的光束和更高的光电流,但是会降低速度。

大的带宽(几十GHz)和大的光电流(几十毫安)的结合可以在速度匹配光探测器中实现,它包含一些小面积的光探测器,它们弱耦合到光波导中,并且将光电流传到普通的射频波导结构中。

光电二极管的量子效率是对光电流有贡献的入射光子所占的比例。对于没有雪崩效应的光电二极管来说,量子效率与响应度S直接相关,光电流为:

Gzgdejg02.png

其中量子效率为η,电荷为e。光电二极管的量子效率可以非常高,有些情况下大于95%,但是随波长变化很大。除了很高的内量子相率,高的量子效率还需要抑制反射,例如采用抗反射涂层

有些情况下,光电二极管具有其它的性质,例如在很大的动态范围内都具有线性的响应,空间响应一致性或者动态响应的形状(例如,在时间域或者频率域进行优化),或者噪声性质。

光电二极管的噪声性质可以非常好。当光电流比较大时,噪声主要为散粒噪声,尽管电子器件中的热噪声比它大很多。当探测的光非常弱时(例如,用于光子计数),暗电流就会起作用。

采用雪崩光电二极管可以实现更高的响应度(尽管有时会降低量子效率)。它工作于相对较高的反向偏置电压情况下,因此会产生二次电子(类似于光电倍增管中)。雪崩过程会提高响应度,因此电子放大器的噪声影响最小化,然而量子噪声变得更加重要,并且还引入了乘法噪声。

光电二极管有时集成到激光二极管组件中。可以探测到透过很高反射率的反射面之后的光,其功率正比于输出功率。得到的信号也可以用来稳定输出功率,或者探测装置的退化程度。

基于光电二极管的光探测器的电子学装置会影响速度,线性和噪声。如上所述,电流放大器(阻抗放大器)是一个很好的选择。

参阅:PIN型光电二极管光探测器速度匹配光电二极管雪崩二极管金属-半导体-金属光探测器散粒噪声带宽