本文研究的是硅光電二極管在光電檢測電路中的線性響應與噪聲特性的分析，提出一些硅光電二極管在電路中的應用。因為是將光信號最后轉換為電信號，其中有各種影響因素，所以對其在電路中的應用進行分析是非常重要的，接下來進入正題。

1.1 硅光電二極管的基本結構

光電二極管能夠將所吸收的光能轉換為電能，即將光信號轉換為電信號，后面再前置放大電路會詳細說明。光電二極管屬于一種光電轉換的器件，與激光二極管的受輻射和發光二極管的自發輻射過程相逆，其中，PN型硅光電二極是目前應用最廣和最基本的管子。硅光電二極管同光電池一樣，按基底材料不同可分為2DU型和2CU型。PN型硅光電二極管的基本結構包括有效面積區、引線、P+擴散區、PN結區、N+擴散區以及金屬接觸層幾部分，其中光可以通過透明的P+區直接到達PN結區，產生光電子，N+擴散區的主要作用在于為金屬電極提供良好的電接觸。此外，P—I—N型光電二極管也是當期常用的硅光電二極管，其更適用于反向偏壓工作，結構與PN型硅光電二極管相類似，N層與P層間的耗盡層是由本征半導體構成的，其作用是提供一個較小的電容和較大的耗盡深度。通常情況下，質量較好的硅光電二極管的噪聲是可以忽略不計的，主要原因在于其噪聲電流非常小。在硅光電二極管對信號的測量中，本來能夠通過調零將暗電流消除，然而，暗電流受溫度的影響很大，隨著溫度的升高而升高，因此，由暗電流引起的噪聲對硅光電二極管檢測靈敏度的影響是不可被忽視的。

2. 硅光電二極管特性分析

2.1 伏安特性分析

由圖2.1可見，在低反壓下電流隨光電壓變化非常敏感。這是由于反向偏壓增加使耗盡層加寬、結電場增強，它對于結區光的吸收率及光生裁流子的收集效率影響很大。當反向偏壓進一步增加時，光生載流子的收集已達極限，光電流就趨于飽和。這時，光電流與外加反向偏壓幾乎無關，而僅取決于入射光功率。

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圖1.1 二極管的伏安特性

2.2 硅光電二極管的光學特性

硅光電二極管的響應特性與突發光照波長的關系響應率定義為光電導模式下產生的光電流與突發光照的比例。響應特性也可以表達為光照產生的載流子數量與突發光照光子數的比例。

響應速率即響應特性標志著光電二極管對快速突變光信號的傳輸響應。影響響應速度的是，光生載流子的擴散時間。若對PIN型硅光電二極管以耗盡層為主要工作區，擴散時間可忽略，硅光電二極管的電流響應率通常在0.4~05mA/mW，通常將其峰值響應波長的電流靈敏度作為光電二極管的電流靈敏度。

2.3 影響因素

綜上分析，可見暗電流與噪聲對于硅光電二極管的光電檢測是必須要檢查分析的。

在光電導模式下，當不接受光照時，通過光電二極管的電流被定義為暗電流。暗電流是硅光電二極管最重要的參數之一，其他參數如噪聲電流和動態電阻都與它有直接的關系。暗電流包括了輻射電流以及半導體結的飽和電流。暗電流必須預先測量，特別是當光電二極管被用作精密的光功率測量時，暗電流產生的誤差必須認真考慮并加以校正。

噪聲也是影響光電檢測的一個重要因素。

硅光電二極管噪聲主要包含熱噪聲和散粒噪聲兩種，其中，熱噪聲是由于電阻材料中的自由電子隨機運動所產生的，取決于材料的噪聲等效帶寬、電阻及溫度，而散粒噪聲是由硅光電二極管PN結中的截流子隨機運動而產生的，屬于白噪聲，與通過光電二極管的電流和噪聲帶寬相關，而與頻率無關。光電檢測電路中的一些參數也會影響信噪比，在目前光電檢測電路設計中常利用運算放大器接成電壓電流轉換器來確保負載阻抗為零間，以滿足輸出線性響應的要求。而影響電路信噪比的因素有:一是運算放大器的反饋電阻及硅光電二極管的內阻，適當地提升放大器的反饋電阻以及選用適當的硅光電二極管有利于改善信噪比，而且還有利于電壓、電流轉換的轉換系數提高。二是失調的電壓、電流以及放大器的等效輸入噪聲電壓、電流，其中失調電壓、電流的大小會隨著溫度而漂移，雖然在電路調整時能夠對失調電壓、電流加以補償，然而隨溫度漂移的影響必然會在電路輸入端產生噪聲，而等效輸入噪聲電流中所造成的噪聲電流在總噪聲電流的絕大部分。

因此，為了提高電路輸出端的信噪比，應該盡可能地選用噪聲性能更好、失調電壓、電流較低的放大器。

2. 光電檢測電路的設計思路與檢測

2.1 前置放大電路的設計

這里給出設計的一般思路，關于前置放大電路就涉及到光電二極管在電路中是怎樣把光信號轉換為電信號了，對應運放的工作原理，充分了解后才能把這兩者更好的結合。

普通二極管在反向電壓作用時處于截止狀態，只能流過微弱的反向電流，光電二極管在設計和制作時盡量使PN結的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用下工作的，有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件，這在硅光電二極管的使用方法里有詳細的講解。

光電二極管可以在2 種模式下工作， 一是零偏置的光伏模式； 一是反偏置的光導模式，具體電路如圖2.2 所示。 在光伏模式時， 光電二極管可以非常精確地線性工作；而在光導模式時，光電二極管能夠實現較高的切換速度，但要犧牲線性；同時， 反偏置模式下的光電二極管即使在無光照條件下也會產生一個極小的暗電流， 暗電流可能會引入輸入噪聲。 因此選用光伏模式。

根據上文對硅光電二極管特性的描述，選擇了適合的硅光電檢測器件和ICL7650運放芯片設計成電路進行分析。選擇的7650運放可以使微弱直流光電信

    號得到有效地放大，還能補償電路溫度飄逸干擾，有助于電路輸出信號精度的提升，因此適用于低噪聲，微電流。

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圖2.2 工作模式

后面電路接上負載與檢測器件組成完整的光電檢測電路。

2.2 光電檢測電路的檢測實現

先使用示波器來對無光照射條件下所搭建電路的輸出噪聲進行了測試測試結果表明該檢測電路的靈敏度能夠到達10mV。當光照條件較差時，為了對微弱光信號進行充分收集，同時盡量地將光電器件受光照不均勻消除，從而提升實驗精度，實驗過程中可以先利用透鏡將微弱光信號進行聚焦，然后再將聚焦后的光信號以正面垂直的方式照射到硅光電二極管的感光面，然后再對的輸入端光照與輸出端電壓之間的關系進行進一步測量，測量結果表明將硅光電二極管應用于光電檢測電路中，同時在配以低噪聲高增益的運放芯片，其電路具有良好的線性輸出響應。

這里介紹一些硅光電二極管的應用：（1）在光電陰極與硅光電二極管的結合中      

的應用：荷蘭D E P 公司最近推出一種混

成光電倍增管, 這是一種全新的概念。這種光電倍增管由一個傳統的光電陰極和一個硅光電二極管構成, 兩者都裝在同一個管子內。光電陰極把光子轉換成電子, 電子得到加速后聚焦在硅光電二極管上。這種光電倍增管的增益與加速電壓成正比, 其主要特點是響應時間短(2 ns)、增益高( 3＊103)、線性度好(104)；

（2）二極管陣列檢測器（diode-array detector, DAD）是以光電二極管陣列（或CCD陣列，硅靶攝像管等）作為檢測元件的。它可構成多通道并行工作，同時檢測由光柵分光，再入射到陣列式接受器上的全部波長的信號，然后，對二極管陣列快速掃描采集數據，得到的是時間、光強度和波長的三維譜圖。

（3）硅光電二極管在光纖探測器中的應用；

（4）硅光電二極管在CCD中的應用等。

本文通過硅光電二極管的基本結構及電路特性的分析，并以此給出了一個檢測思路，同時對該電路進行了測試。測試結果表明該光電檢測電路具有結構簡單、線性良好、輸出噪聲低等優點。因此，光電二極管檢測電路中硅光電二極管的選用及應用應該注意光電檢測電路的噪聲特性及線性響應。

參考文獻：

[1] 賈牧霖，曾國強，馬雄楠.一款低成本硅PIN光電二極管偏置電路的設計及應用[J].現代電子技術，2014(13):159-161.

鄭培超，于斌，劉克銘.硅光二極管光電檢