用于位置檢測(cè)的光電二極管參數(shù)分析

譚立杰，魏祥英，孫 敏，閆 蕓

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

光電二極管（Photodiode）是由PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，具有單方向?qū)щ娞匦?。在制作光電二極管時(shí)，PN結(jié)做得比較大，以便接收更多入射光。根據(jù)結(jié)構(gòu)，光電二極管劃分PN型和PIN型，PIN型光電二極管在P層和N層中間有一層本征層。光電二極管的波長(zhǎng)覆蓋范圍從紫外光、可見(jiàn)光到近紅外光，典型的光電二極管材料為硅（Si）、鍺（Ge）、銦鎵砷（InGaAs）、銦鎵砷磷（InGaAsP）等。光電二極管工作原理：吸收光輻射產(chǎn)生載流子，半導(dǎo)體共價(jià)鍵中的束縛電子吸收光子能量后掙脫共價(jià)鍵，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，也就是光生載流子；光生載流子在二極管內(nèi)漂移形成光電流，光強(qiáng)越大，光電流越大。光電二極管一般工作在光伏模式或者光導(dǎo)模式下，光伏模式是零偏置，不增加反向偏壓，光電流流動(dòng)受到限制，這種模式的暗電流最小，應(yīng)用于太陽(yáng)能電池；光導(dǎo)模式需要外加偏壓，外加的偏壓使PN結(jié)耗盡區(qū)的寬度增加，響應(yīng)度增大，結(jié)電容變小，響應(yīng)度趨于直線，這種模式下暗電流比較大，同時(shí)響應(yīng)速度快，光電流大，適用于高速位置檢測(cè)系統(tǒng)[1]。其產(chǎn)生光電流原理如圖1所示。

圖1 光電二極管產(chǎn)生光電流原理

1 光電二極管在位置檢測(cè)中的作用

在位置檢測(cè)時(shí)，特定波長(zhǎng)的光入射到光電二極管傳感器，在反向偏置電壓（Ub）下產(chǎn)生光電流（I），光電流與入射光強(qiáng)（E）具有很好的線性特性，如圖2所示。通過(guò)前置放大器和調(diào)理電路將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行采樣，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析計(jì)算相對(duì)位置變化。

圖2 光電二極管伏安特性曲線

2 光電二極管參數(shù)特性分析

用于位置檢測(cè)的光電二極管要求反應(yīng)速度快，暗電流低，噪聲小，光譜特性滿足入射光要求。以紅光波段入射光的光強(qiáng)檢測(cè)為例，根據(jù)應(yīng)用需求：入射光為紅光633 nm，調(diào)制頻率100 kHz，光斑大小為80μm×80μm，光強(qiáng)大小為100 nW～100μW，信號(hào)帶寬為0.1～10 kHz。通過(guò)參數(shù)分析選擇高速硅PIN光電傳感器濱松S5973型光電二極管，可用于可見(jiàn)光和近紅外光檢測(cè)，具體參數(shù)特性如表1所示。

表1 濱松S5973光電二極管性能參數(shù)[2]

比較重要的光電參數(shù)是有效感光面積、最大反偏電壓、光靈敏度、暗電流、噪聲等效功率、響應(yīng)速度等，以S5973為例參數(shù)特性分別進(jìn)行了分析。有效感光面積根據(jù)實(shí)際入射光面積來(lái)選擇。一般情況下，感光面積小，結(jié)電容小，響應(yīng)速度快，適用于高速位置檢測(cè)；感光面積大，結(jié)電容大，響應(yīng)速度變慢，比較適用于光能量檢測(cè)。有效感光面積應(yīng)大于入射光的光斑面積，而且面積越小越好。

最大反偏電壓（VR）是光電二極管陰極能夠加的最大反偏電壓，隨著反偏電壓的增大，結(jié)電容減小，反應(yīng)速度增加，暗電流增大。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)參照特性曲線選擇合適的偏置電壓加在光電二極管兩端，也可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)增加不同的反偏電壓，測(cè)量上升時(shí)間，根據(jù)結(jié)果選擇最佳反偏電壓。

光靈敏度（A/W）為光電流（A）與特定波長(zhǎng)入射光輻射能量（W）的比值。圖3光譜響應(yīng)曲線是光靈敏度與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出了光靈敏度最高的入射光波長(zhǎng)，也給出了幾個(gè)特定波長(zhǎng)供快速查詢。由圖3中可以看出紅光λ633=0.42 A/W。

圖3 光譜響應(yīng)曲線

光靈敏度與溫度也有關(guān)，在光靈敏度峰值波長(zhǎng)的波段內(nèi)，溫度與光靈敏度呈正相關(guān)。在光靈敏度峰值波長(zhǎng)短的波段內(nèi)，光靈敏度不隨溫度變化，光電二極管溫度特性曲線如圖4所示。在波長(zhǎng)633 nm波段，靈敏度基本不受溫度影響，可以忽略。

圖4 光電二極管溫度特性曲線

量子效率（QE）定義為特定波長(zhǎng)的光照下，最終形成光電流的電子（或者空穴）數(shù)目占總?cè)肷涔庾拥陌俜直?。由于不同波長(zhǎng)的光子能量不同，所以QE的峰值與光靈敏度的換算關(guān)系如式(1)：

式(1)中，QE為量子效率，S為光靈敏度，λ為入射光波長(zhǎng)。

暗電流（ID）是光電二極管在沒(méi)有入射光照射的情況下產(chǎn)生的直流電流，包括制作的晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流和載流子熱擴(kuò)散形成的本征暗電流。暗電流本身不是噪聲，暗電流的不確定性，也就是波動(dòng)性是形成噪聲的因素之一。暗電流與反向電壓、溫度有關(guān)，反向電壓越強(qiáng)，溫度越高，暗電流越大。一般情況下，暗電流很小，在1 nA以內(nèi)光電二極管特性比較好。

噪聲等效功率（NEP）噪聲等效功率反映了光電二極管可以探測(cè)的最小光強(qiáng)，數(shù)值越小越適用于微弱信號(hào)檢測(cè)。等效于1 Hz帶寬內(nèi)均方根噪聲電流所需的最小輸入輻射功率，是信噪比為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的光信號(hào)輻射能量，是光電二極管接收的最小光功率。一般而言，NEP隨著探測(cè)器的感光面積而增大，用式(2)表示：

式(3)中，S(peak)為峰值波長(zhǎng)的響應(yīng)度，S(a)為波長(zhǎng)為a的入射光響應(yīng)度，f為頻率。

根據(jù)式(3)計(jì)算紅光633 nm的最小輸入能量為1.32×10-15W/Hz1/2，遠(yuǎn)小于最小輸入光強(qiáng)100 nW，滿足入射光最小光強(qiáng)要求。

響應(yīng)速度一般有截止頻率或者上升時(shí)間來(lái)定義，由于光電二極管的電信號(hào)在時(shí)間上落后于入射的光信號(hào)，也就是光電流輸出相對(duì)于輸入的光強(qiáng)發(fā)生沿時(shí)間軸的擴(kuò)展，擴(kuò)展的程度即響應(yīng)時(shí)間由上升時(shí)間來(lái)描述。截止頻率fc定義為光電二極管接收正弦調(diào)制光波時(shí)，輸出電流相比于100%輸出下降到-3 dB時(shí)的頻率[3]。與上升時(shí)間tr的換算關(guān)系為：

上升時(shí)間是信號(hào)由10%上升到90%的時(shí)間。終端電容Ct下降，反偏電壓VR上升，負(fù)載電阻RL下降，可以提高上升時(shí)間，增強(qiáng)光電二極管的響應(yīng)速度[4]。樣本中給出的終端電容是沒(méi)有光照時(shí)的光電二極管總電容，包括結(jié)電容（Cj）和封裝時(shí)所產(chǎn)生的寄生電容。終端電容越大，上升時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)越慢。由圖5光電二極管頻率特性曲線可以看出S5973在大約1 GHz時(shí)，增益下降到-3 dB，根據(jù)公式計(jì)算上升時(shí)間tr為0.35 ns。

圖5 光電二極管頻率特性曲線

光電二極管響應(yīng)時(shí)間可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并與前端放大電路的響應(yīng)時(shí)間一起作為信號(hào)的延遲時(shí)間，在模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣階段進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到光強(qiáng)信號(hào)與位置的同步對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)際上高速光電二極管響應(yīng)時(shí)間非常短，在要求不高的情況下可以忽略不計(jì)。更重要的是在位置檢測(cè)中，入射光往往是經(jīng)過(guò)調(diào)制的交變信號(hào)，如果光電二極管的響應(yīng)速度跟不上光信號(hào)的變化，則輸出的光電流隨著調(diào)制頻率升高而減小，信號(hào)失真，所以在位置檢測(cè)的應(yīng)用中根據(jù)入射調(diào)制光信號(hào)頻率計(jì)算響應(yīng)時(shí)間，且時(shí)間越短越好。

3 結(jié)束語(yǔ)

光電二極管探測(cè)器特別是PIN型光電二極管探測(cè)器由于響應(yīng)速度快、暗電流低、噪聲低等特點(diǎn)越來(lái)越多地被應(yīng)用到位置檢測(cè)和圖像檢測(cè)等工業(yè)領(lǐng)域，選擇滿足設(shè)計(jì)需求的光電二極管很重要。首先對(duì)光電二極管的光靈敏度、暗電流、噪聲等效功率和響應(yīng)速度等參數(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)分析，說(shuō)明相應(yīng)參數(shù)對(duì)使用的實(shí)際意義，給出了理論計(jì)算公式和參數(shù)間的相互換算關(guān)系，并結(jié)合應(yīng)用需求、光學(xué)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)，進(jìn)行了綜合選擇光電二極管參數(shù)。設(shè)計(jì)完成后進(jìn)一步搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)測(cè)校，測(cè)校結(jié)果使用軟件處理，通過(guò)算法運(yùn)算才能將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成精密的位置對(duì)準(zhǔn)信息。在實(shí)際使用中對(duì)于光電二極管的實(shí)際性能還有很多不確定因素，相同型號(hào)的光電二極管也會(huì)有性能上的差異，對(duì)于性能一致性的測(cè)試還需要繼續(xù)研究。