譚立杰，魏祥英，孫 敏，閆 蕓

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

光電二極管（Photodiode）是由PN結(jié)組成的半導體器件，具有單方向?qū)щ娞匦?。在制作光電二極管時，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。光電二極管的波長覆蓋范圍從紫外光、可見光到近紅外光，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，半導體共價鍵中的束縛電子吸收光子能量后掙脫共價鍵，產(chǎn)生電子-空穴對，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模式下，光伏模式是零偏置，不增加反向偏壓，光電流流動受到限制，這種模式的暗電流最小，應用于太陽能電池；光導模式需要外加偏壓，外加的偏壓使PN結(jié)耗盡區(qū)的寬度增加，響應度增大，結(jié)電容變小，響應度趨于直線，這種模式下暗電流比較大，同時響應速度快，光電流大，適用于高速位置檢測系統(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中的作用

在位置檢測時，特定波長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（E）具有很好的線性特性，如圖2所示。通過前置放大器和調(diào)理電路將光電流轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進行采樣，對數(shù)據(jù)進行擬合分析計算相對位置變化。

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

用于位置檢測的光電二極管要求反應速度快，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檢測為例，根據(jù)應用需求：入射光為紅光633 nm，調(diào)制頻率100 kHz，光斑大小為80μm×80μm，光強大小為100 nW～100μW，信號帶寬為0.1～10 kHz。通過參數(shù)分析選擇高速硅PIN光電傳感器濱松S5973型光電二極管，可用于可見光和近紅外光檢測，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、響應速度等，以S5973為例參數(shù)特性分別進行了分析。有效感光面積根據(jù)實際入射光面積來選擇。一般情況下，感光面積小，結(jié)電容小，響應速度快，適用于高速位置檢測；感光面積大，結(jié)電容大，響應速度變慢，比較適用于光能量檢測。有效感光面積應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，反應速度增加，暗電流增大。設計時根據(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，也可以設計實驗，通過增加不同的反偏電壓，測量上升時間，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）與特定波長入射光輻射能量（W）的比值。圖3光譜響應曲線是光靈敏度與波長的對應關(guān)系，給出了光靈敏度最高的入射光波長，也給出了幾個特定波長供快速查詢。由圖3中可以看出紅光λ633=0.42 A/W。

圖3 光譜響應曲線

光靈敏度與溫度也有關(guān)，在光靈敏度峰值波長的波段內(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)肷涔庾拥陌俜直取Ｓ捎诓煌ㄩL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。

暗電流（ID）是光電二極管在沒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，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的最小光強，數(shù)值越小越適用于微弱信號檢測。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時所對應的光信號輻射能量，是光電二極管接收的最小光功率。一般而言，NEP隨著探測器的感光面積而增大，用式(2)表示：

式(3)中，S(peak)為峰值波長的響應度，S(a)為波長為a的入射光響應度，f為頻率。

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

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

上升時間是信號由10%上升到90%的時間。終端電容Ct下降，反偏電壓VR上升，負載電阻RL下降，可以提高上升時間，增強光電二極管的響應速度[4]。樣本中給出的終端電容是沒有光照時的光電二極管總電容，包括結(jié)電容（Cj）和封裝時所產(chǎn)生的寄生電容。終端電容越大，上升時間越長，反應越慢。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，增益下降到-3 dB，根據(jù)公式計算上升時間tr為0.35 ns。

圖5 光電二極管頻率特性曲線

光電二極管響應時間可以設計實驗驗證，并與前端放大電路的響應時間一起作為信號的延遲時間，在模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣階段進行補償，達到光強信號與位置的同步對應關(guān)系，實際上高速光電二極管響應時間非常短，在要求不高的情況下可以忽略不計。更重要的是在位置檢測中，入射光往往是經(jīng)過調(diào)制的交變信號，如果光電二極管的響應速度跟不上光信號的變化，則輸出的光電流隨著調(diào)制頻率升高而減小，信號失真，所以在位置檢測的應用中根據(jù)入射調(diào)制光信號頻率計算響應時間，且時間越短越好。

3 結(jié)束語

光電二極管探測器特別是PIN型光電二極管探測器由于響應速度快、暗電流低、噪聲低等特點越來越多地被應用到位置檢測和圖像檢測等工業(yè)領(lǐng)域，選擇滿足設計需求的光電二極管很重要。首先對光電二極管的光靈敏度、暗電流、噪聲等效功率和響應速度等參數(shù)進行了重點分析，說明相應參數(shù)對使用的實際意義，給出了理論計算公式和參數(shù)間的相互換算關(guān)系，并結(jié)合應用需求、光學設計、電路設計，進行了綜合選擇光電二極管參數(shù)。設計完成后進一步搭建實驗平臺進行參數(shù)測校，測校結(jié)果使用軟件處理，通過算法運算才能將光強轉(zhuǎn)換成精密的位置對準信息。在實際使用中對于光電二極管的實際性能還有很多不確定因素，相同型號的光電二極管也會有性能上的差異，對于性能一致性的測試還需要繼續(xù)研究。