第12卷 第1期2004年2月
光学精密工程
Optics and Precis ion E ngineering
Vol.12 No.1
Jan.2004
文章编号 1004-924X(2004)01-0118-04
用Si光电二极管标定软X射线探测器
曹继红,尼启良,陈 波
(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033)
摘要:为了实现软X射线波段光源相对光谱分布的测量,引进了一种利用新型软X射线波段传递标准探测器—Si光电二极管对软X射线探测器进行标定。标定了软X射线波段光谱测量实验中常用的探测器—通道电子倍增器在放大电压为1.3kV时的量子效率,并对实验结果进行了分析,得出在8～30n m波段内探测器标定误差为5.7%～8.9%。
关 键 词:软X射线探测器;软X射线;硅光电二极管;标定;量子效率
中图分类号:TN366 文献标识码:A
Calibration of soft X-ray detector
C AO Ji-hong,NI Qi-liang,CHE N Bo
(Changchun Institute of Optics,Fine Me chanics&Physics,
Chinese A cademy of Scienc es,Changc hun130033,China)
A bstract:In order to measure the r elative spectrum distribution of soft X-ray source,it is proposed to calibrate the channel electr on multiplier(CE M)using a silic on transfer standard photodiode calibrated by NIST.The quantum effi-ciency of the CE M has been determined using the calibration method proposed while CE M was biased to1.3kV.The analysis of calibration results indicates that the calibration error of CE M is11%～17%in the8～30nm region. Key words:soft X-ray detector;soft X-ray;silicon photodiode;detector calibration;quantum efficienc y
1 引 言
实验室经常需要测量软X光源的绝对或相对光谱分布,并对其光谱特性进行研究。在过去的十几年里,这种要求在基础和应用研究方面更是与日俱增。如医学领域,由于只有某个波段的X 射线能治疗肿瘤,就必须知道X射线源是否在这个波段有最大的辐射强度。然而,在实际光谱测量中,单色仪、探测器在不同的波段对光源的辐射有不同的响应效率,未经标定的测量系统的测量结果不能反映光源光谱辐射的真实情形,所以需要对单色仪、探测器在不同波段的响应效率进行标定。标定软X射线探测器的传统方法是利用同步辐射、稀有气体电离室或壁稳氩弧灯等标准(或传递标准)仪器进行标定,而本文则是利用一种新型的传递标准探测器—Si光电二极管对软X 射线探测器进行标定。虽然Si光电二极管在可见光和红外线等波段已得到广泛应用,但在软X射线波段的使用在国内尚无先例。
收稿日期:2003-11-22;修订日期:2003-12-04. 基金项目:国家重点基金项目(No.10333010)
Si光电二极管是一种新型半导体光敏探测器。
基于Si光电二极管在软X射线波段有较高稳定的量子效率和高分辨率的探测本领,它逐渐受到短波光谱学领域的科学工作者的青睐。欧洲科学家在SOH O人造卫星上用它来研究太阳光谱,美国NASA计划把它安装到GOES、TI MED和E OS等太空探测仪器上,俄罗斯的卫星上也安装了Si光电二极管探测器。由IRD公司(International Radiation Detectors Inc.)开发的Si光电二极管是美国NIST (National Institute of Standards and Technology)认可的在5～250nm波段唯一的传递标准探测器。近年来,Si光电二极管作为极紫外和软X射线波段的传递标准探测器正逐渐成为该波段辐射计量的主流探测器[1-5]。
2 Si光电二极管作软X射线传递标准探测器的优越特性
用作传递标准探测器的Si P-N结光电二极管AXUV系列适用于极紫外光和软X射线波段(5～254nm)。图1是其内部结构;图2是其外观尺寸。其工作原理是:当一定能量(约3.7eV)的光子入射到二极管,便在二极管中产生一个电子-空穴对(载流子),电子-空穴对在P N结电场的作用下形成一个与光子数成正比的电流,由外电路导出并测量。在短波段的光子能量比3.7eV要大很多,一个光子产生的电子-空穴对就不只一个,因而使量子效率随波长变短而线性增加。
理论上Si光电二极管的电流测量用高精度静电计就可以,但一般的商用静电计外形较大,无法和二极管靠近连接,必须借助较长的电缆,这势必带来强噪音信号的干扰。采用一个前置运算放大器,将其与二极管紧密连接后封装到圆柱形铝质容器里。只有光入射到二极管的窗孔和导线的出孔处有一个小孔和外界相通,其余空间全由铝屏障(见图3),从而消除大部分噪音信号干扰。其噪音性能几乎与电子倍增管和雪崩光敏管相近
。
图1 Si光电二极管内部结构
Fig.1 Structure of the Si
photodiode
图2 AXUV-100的外形
Fig.2 Figure of AXUV-
100
图3 Si光电二极管的安装
Fig.3 Setup of the Si photod iode
下面是实验中实际应用的Si光电二极管AX-UV-100的一些特性:
量子效率:量子效率是指一个光子进入探测器后产生的光电子数。根据工作需要,实际使用的Si光电二极管的标定范围是5～50nm。图4是其实际量子效率曲线。有了量子效率,就可以按照公式
I=i d/eP s e ,(1)计算测得光子流量I(光子/s),P s e是Si光电二极管的量子效率,i d是光电二极管测得的电流,它
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是波长的函数
。
图4 AXUV -100的实际量子效率Fig .4 Quantu m efficiency of AXUV -100
稳定性:指量子效率的稳定性。经过测试,
在致密氧化膜的保护下,Si 光电二极管放入100%的相对湿度环境下存放4周或者室温下存放若干年,量子效率几乎不发生变化。这种探测器保存方便。
分辨率:Si 光电二极管能分辨3.63eV 的光子,这也是半导体探测器普遍具有的优势。
此外还有其他特性,如较高的灵敏度,几nA 的暗电流和几十到几百倍的信噪比等。与传统的软X 射线探测器相比较,AXU V 光电二极管探测器还有很多优点:低噪音、无偏压、线路少、体积小、对磁场无感应、相对大的收集面积、量子效率的空间分布均匀以及较大的电流动态范围等。其光电转换发生在二极管的内部,不受外部污染的影响。所有这些都决定了它适合作实验室软X 射线传递标准探测器。
3 通道电子倍增器标定实验
在相同条件下分别用通道电子倍增器和Si 光电二极管AXUV -100测量单色仪输出的光谱强度(记为I go ,单位光子/s ),则由公式(1)有
I go =i ds /eP s e =i dr /eP re ,(2)i ds 是Si 光电二极管电流,i dr 是倍增器的电流,P re 是倍增器的量子效率。但是,实验中不是直接测量
电流,而是利用积分电容Q =V C =i d t 的关系,测量电流的积分电压V ,即上式(2)可变换为
V ds C s /t s P s e =C r V dr /t r P re ,(3)这仅是一个理想的计算公式,没有考虑运放和前
置放大器的增益以及电子倍增器的放大倍数。不过运放电压和前置放大器电压是恒定的,增益是常数。只要在电子倍增器的放大电压一定的情况
下,实际的计算公式与理想公式(3)就只差一个
常数,而且式(3)中的C 、t 对特定的Si 光电二极管积分电路和电子倍增器积分电路而言也是常数。现在把所有的常数用K 代替,得到测量的实验公式
P re =KV dr P s e /V ds ,(4) 实验具体步骤如下:在样品室的样品台上装
上Si 探测器和电子倍增器,布局如图5。样品台可以在计算机控制的步进电机驱动下旋转。当完成一个探测器的测量工作后,在真空下转动样品台,使另一个探测器对准入射光。转动角度在实验前的大气状态下已经调节好。波长扫描范围是8～30nm ,间距与Si 光电二极管的量子效率曲线一致(见图4)。真空度在～10-4Pa ,采用氙气靶激光等离子体光源。测量数据由虚拟数据采集器采集和处理[6]。图6是分别用Si 光电二极管和通道电子倍增器测得的单色仪输出的光谱分布(测量值是V dr 、V ds )。图7是利用式(4)计算出的通道电子倍增器在放大电压为1.3kV 时的量子效率P re 的分布曲线。
图5 探测器的布局Fig .5 Positions of two detectors
图6 用Si 光电二极管和电子倍增器测得的光谱Fig .6 Spectru m measured by photodiode and multiplier
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图7 电子倍增器的效率曲线Fig .7 E fficiency of the electron multiplier
4 实验分析
图8是用标定后的电子倍增器测得的单色仪输出的光谱强度分布,与用Si 光电二极管测得的光谱分布相同。虽然在这次测量中电子倍增器的
放大电压读数是1.3kV ,但由于读数时偶然误差的影响,实际的放大电压可能和前面实验中的放大电压有所不同,因而式(4)中的常数K 发生一些变化。但在放大电压很小的变化范围内,可以认为K 是线性变化的,即放大电压的微小变化不会影响光谱的相对分布
。
图8 用电子倍增器测得的单色仪输出的光谱分布
I go (C S =1PF ,t s =40ns )
Fig .8 Spectrum distribution of mon ochromator output ,mea -sured by electron multiplier
下面是探测器标定误差分析:根据NI ST 对Si
光电二极管的标定误差数据得出实际应用的8～30nm 波段内误差是7～11%(峰值波长12.5和17.5nm 处均为8%),该误差来源于NIST 的标定系统;作传递标准探测器进行标定实验时的校准误差为4～6%,该误差来源于Si 光电二极管自身,因而以高斯传递方式带入待标定的电子倍增器的误差为5.7～8.9%。
参考文献:
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作者简介:曹继红(1978-),男,四川邻水人,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室
硕士研究生,主要研究方向为短波光学。E -mail :caojohn @sohu .com .cn
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半导体二极管及其应用电路 1．半导体的特性 自然界中的各种物质,按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导体。半导体导电能力介于导体和绝缘体之间。它具有热敏性、光敏性（当守外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化）和掺杂性(往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显变化)。利用光敏性可制成光电二极管和光电三极管及光敏电阻;利用热敏性可制成各种热敏电阻;利用掺杂性可制成各种不同性能、不同用途的半导体器件,例如二极管、三极管、场效应管等。 2．半导体的共价键结构 在电子器件中,用得最多的材料是硅和锗,硅和锗都是四价元素,最外层原子轨道上具有4个电子,称为价电子。每个原子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的4个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为共价键结构。 当温度升高或受光照时,由于半导体共价键中的价电子并不像绝缘体中束缚得那样紧,价电子从外界获得一定的能量,少数价电子会挣脱共价键的束缚,成为自由电子,同时在原来共价键的相应位置上留下一个空位,这个空位称为空穴, 自由电子和空穴是成对出现的,所以称它们为电子空穴对。在本征半导体中,电子与空穴的数量总是相等的。我们把在热或光的作用下,本征半导体中产生电子空穴对的现象,称为本征激发,又称为热激发。 由于共价键中出现了空位,在外电场或其他能源的作用下,邻近的价电子就可填补到这个空穴上,而在这个价电子原来的位置上又留下新的空位,以后其他价电子又可转移到这个新的空位上。为了区别于自由电子的运动,我们把这种价电子的填补运动称为空穴运动,认为空穴是一种带正电荷的载流子,它所带电荷和电子相等, 符号相反。由此可见, 本征半导体中存在两种载流子:电子和空穴。而金属导体中只有一种载流子——电子。本征半导体在外电场作用下,两种载流子的运动方向相反而形成的电流方向相同。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度时影响半导体性能的一个重要的外部因素。
课程设计任务书 课程设计任务书
目录： 实验目的 (1) 实验内容 (1) 实验仪器 (1) 实验原理 (1) 注意事项 (4) 实验步骤 (5) 实验结果 (12) 实验总结 (15) 参考文献 (15)
光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习光电二极管的基本工作原理； 2、掌握光电二极管的基本特性参数及其测量方法，并完成对其光照灵敏度、伏安特性、时间响应特性和光谱响应特性的测量； 3、通过学习，能够对其他光伏器件有所了解。 二、实验内容 1、光电二极管暗电流测试实验 2、光电二极管伏安特性测试实验 3、光电二极管光照特性测试实验 4、光电二极管时间特性测试实验 5、光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电二极管综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1个 4、电源线 1根 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 四、实验原理 1、概述 随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有很大的灵敏度，如图所示。这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外区域，因此在近红外光区域应用；再一方面，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。因此，在使用光敏二极管进要了解其类型及性能是非常重要的。 光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。光生电动势与光电池相同，
基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析 发表时间：2017-03-09T11:18:47.780Z 来源：《电力设备》2017年第1期作者：王风敏 [导读] 在光电检测电路设计时，应该尽可能地减小噪声，从而提升系统的检测分辨率和信噪比。 （池州学院安徽池州 247100） 摘要：噪声是目前影响光电检测电路检测性能的重要因素，在光电检测电路设计时，应该尽可能地减小噪声，从而提升系统的检测分辨率和信噪比。为此，本文就对基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声进行了分析，首先简单介绍了光电二极管检测电路，然后对基于光电二极管反偏的光电检测电路设计进行了分析，随后探讨了光电检测电路的噪声，最后提出了光电检测电路的总噪声及低噪声的设计原则，旨在为低噪声光电检测电路的设计提供帮助。 关键字：噪声；光电检测电路；光电二极管；反偏 引言 现如今，光电检测技术已经被广泛地应用于诸多领域，从理论的角度分析而言，利用光电检测电路能够将任何存在光辐射信号地方的信号检测出来。然而，在实际检测过程中，经光电二极管转换的光电信号是非常微弱的，经常出现被检测信号被噪声淹没的情况，严重影响的光电检测电路的检测能力。因此，对光电检测电路的噪声进行分析具有非常重要的意义。 1.光电二极管检测电路 1.1光电二极管工作原理 光电二极管主要是利用半导体通过光电效应实现光信号到电信号的转换。受热运动的影响，耗尽层两侧没有电场的中性区域内有一些以扩散运动方式的空穴与光生电子进入到耗尽层，然后受电场的作用形成扩散电流，且方向与漂移电流相一致。光生电流为扩散电流分量与漂移电流分量的总和。所以，当N层和P层的连接电路打开时，在它们的两端会产生一定的电动势，而该效应则被称之为光电效应。当P 层与N层的连接电路出现闭合时，N区的过剩电子与P区的空穴电流会相互流动，从而形成一种光生电流。光生电流会随着入射光的变化而进行线性改变，从而实现光信号到电信号的转变。 1.2低噪声光电检测线路设计的意义 通常情况下，通过光电二极管转换而得到的光电信号是较为微弱的，且在光电信号的检测极易受到噪声的干扰。实际情况表明，当通过光电来检测相关线路时，其中光电转换器件的前置放大电路噪声往往会对整个系统产生较为严重的影响，因此，要想提升系统的检测分辨率和信噪比，在设计光电检测电路时，必须尽量地降低噪声。 1.3噪声的实用性分析 通过分析光电检测电路中噪声产生的原因，并对其噪声特点进行分析，并针对电路设计过程中有可能出现的所有问题，尽可能地降低电路噪声，从而确保西戎检测分辨率与信噪比的提高。现如今，诸多领域中都涉及到了微弱光信号的检测，当然检测方法也是各式各样的，但就实际应用效果来看，一部分常用检测方法的灵敏度不是很高，在工作中往往无法满足相关要求，而利用光电技术对微弱信号进行检测，具有较高的精度和稳定性。 2.基于光电二极管反偏的光电检测电路设计 光电二极管的工作状态在光电检测电路中存在反偏、无偏、正偏三种。当光电二极管处于反偏状态时，在反偏偏压的作用下，光生截流子的运动会加快，与其它两种状态相比较而言，所产生的光电流更大，更有利于弱光条件下的检测。本文所研究的基于光电二极管反偏的光电检测电路的设计思路为：首先采用光电二极管连接反向高压，对微弱光信号进行探测，实现光信号到电流信号的转换；然后，再利用三极管实现电信号的流压转换；最后，再通过运算放大器来放大电压，从而完成对弱光信号检测。光电检测电路中的所有期器件都不可避免会产生相应的噪声，从而对整个电路的噪声输出产生不良的影响，下面本文就电路的噪声进行进一步分析。 3.光电检测电路的噪声 3.1光电二极管的噪声 （1）热噪声。热噪声指的是导电材料两端因其中截流子的不规则热运动而产生涨落的电流或电压，并且电流或电压的涨落是随机的。材料的噪声等效带宽、电阻及温度是决定材料热噪声电压的主要因素，其中电阻是主要的热噪声源，在电阻不变的情况下，减少温度及噪声等效带宽能够使热噪声得到有效地减少。 （2）散粒噪声。散粒噪声是指导电材料中由于光生截流子流动与形成密度的涨落而产生的噪声，散粒噪声电流和电压均方值取决于通过光电二极管的电流和噪声带宽，并且散粒噪声电压与电流的均方值与电流及噪声带宽呈正比例关系，减少电流和噪声带宽能够使散粒噪声得到有效地降低。在光电检测电路中，散粒噪声电流与热噪声电流是相互独立的，总电流的均方值为散粒噪声电流均方值与热噪声电流均方值之和。 3.2三极管的噪声 三极管的噪声主要取决于工作电流、发射结阻抗以及基区电阻等参数，光电检测电路设计时，应该选用噪声系数较小的三极管，同时，在对负载电阻的阻值进行确定时，需要对噪声与三极管静态放大倍数之间的关系进行充分地考虑，从而实现电路设计优化。 3.3运算放大器的噪声 光电检测电路中的运算放大器是由电容、电阻、晶体管等集成的，其中电阻和晶体管分别会产生相应的热噪声和散粒噪声。运算放大器的输出噪声电压与其自身的增益、带宽、模型以及反馈电阻等因素有关。在光电检测电路设计时，其它需求条件都满足的情况下，运算放大器应尽可能地选用小的，同时放大倍数确定后，对电路阻值进行调整时，应尽可能地减少反馈电阻的阻值，从而实现电路噪声的减少。 4.光电检测电路的总噪声及低噪声的设计 通过上文分析，我们不难得出光电检测电路主要包括光电二极管、三极管流压转换以及运算放大器三个模块，在对整个电路的噪声进行分析时，必须对这三部分进行级联。除与电路器件自身相关之外，光电检测电路的输出噪声电压还与其它众多因素相关联。（1）从理论的角度来看，三极管的负载电阻与其静态增益的并联值越小，电路噪声越小，越有利于检测，然而随着负载电阻与静态增益的减小，输出信号也在随之变小。因此，在实际条件过程中，应该首先尽可能地满足负载电阻的值，然后再结合负载电阻对静态增益进行调节。（2）从
APD光电二极管特性测试实验 一、实验目的 1、学习掌握APD光电二极管的工作原理 2、学习掌握APD光电二极管的基本特性 3、掌握APD光电二极管特性测试方法 4、了解APD光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、APD光电二极管暗电流测试实验 2、APD光电二极管光电流测试实验 3、APD光电二极管伏安特性测试实验 4、APD光电二极管雪崩电压测试实验 5、APD光电二极管光电特性测试实验 6、APD光电二极管时间响应特性测试实验 7、APD光电二极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1台 4、光敏电阻及封装组件 1套 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、示波器 1台 四、实验原理 雪崩光电二极管APD—Avalanche Photodiode是具有内部增益的光检测器，它可以用来检测微弱光信号并获得较大的输出光电流。 雪崩光电二极管能够获得内部增益是基于碰撞电离效应。当PN结上加高的反偏压时，耗尽层的电场很强，光生载流子经过时就会被电场加速，当电场强度足够高(约3x105V／cm)时，光生载流子获得很大的动能，它们在高速运动中与半导体晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发出新的电子一空穴对，这种现象称为碰撞电离。碰撞电离产生的电子一空穴对在强电场作用下同样又被加速，重复前一过程，这样多次碰撞电离的结果使载流子迅速增加，电流也迅速增大，这个物理过程称为雪崩倍增效应。 图6-1为APD的一种结构。外侧与电极接触的P区和N区都进行了重掺杂，分别以P+和N+表示；在I区和N+区中间是宽度较窄的另一层P区。APD工作在大的反偏压下，当反偏压加大到某一值后，耗尽层从N+-P结区一直扩展(或称拉通)到P+区，包括了中间的P层区和I区。图4的结构为拉通型APD的结构。从图中可以看到，电场在I区分布较弱，而在N+-P区分布较强，碰撞电离区即雪崩区就在N+-P区。尽管I区的电场比N+-P区低得多，但也足够高(可达2x104V／cm)，可以保证载流子达到饱和漂移速度。当入射光照射时，由于雪
光电二极管教程 工作原理 结光电二极管是一种基本器件，其功能类似于一个普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，它会产生光电流。光电二极管是一种快速，高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，可应用于各种不同的场合。 根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观了解光电二极管的主要性质，更好地了解Thorlabs光电二极管工作过程。 图1: 光电二极管模型 光电二极管术语 响应度 光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(I PD)和入射光功率(P)之比： 工作模式(光导模式和光伏模式) 光电二极管可以工作在这两个模式中的一个: 光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。 光导模式 处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。电路中测得的电流代表器件接受到的光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应度趋向直线。工作在这些条件下容易产生很大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。(注: 我们的DET器件都是反向偏置的，不能工作在正向偏压下。)
光伏模式 光伏模式下，光电二极管是零偏置的。器件的电流流动被限制，形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应，它是太阳能电池的基础。当工作在光伏模式时，暗电流最小。 暗电流 暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流. 工作在光导模式时, 容易出现更高的暗电流, 并与温度直接相关. 温度每增加 10 °C, 暗电流几乎增加一倍, 温度每增加 6 °C, 分流电阻增大一倍. 显然, 应用更大的偏压会降低结电容, 但也会增加当前暗电流的大小. 当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响. 锗器件暗电流很大, 硅器件通常比锗器件暗电流小.下表给出了几种光电二极管 材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格. 结电容 结电容（C j）是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结电容，增大响应速度。 带宽和响应 负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应，一个50欧姆的终端需要使用一条50欧姆的同轴电缆。带宽（f BW）和上升时间响应（t r）可以近似用结电容（C j）和负载电阻（R load）表示： 终端电阻 使用负载电阻将光电流转换为电压（V OUT）以便在示波器上显示： 根据光电二极管的类型，负载电阻影响其响应速度。为达到最大带宽，我们建议在同轴电缆的另一端使用50欧姆的终端电阻。其与电缆的本征阻抗相匹配，将会最小化谐振。如果带宽不重要，您可以增大负载电阻（R load），从而增大给定光功率下的光电压。终端不匹配时，电缆的长度对响应影响很大，所以我们建议使电缆越短越好。 分流电阻
第20卷 第5期 许昌师专学报 Vol.20.No.5 2001年9月 JOURNAL OF XUCHANG TE AC HERS C OLLE GE Sep.,2001 文章编号:1000-9949-(2001)05-0019-04 硅光电二极管在光电检测电路中的应用研究 付文羽,彭世林 (庆阳师范高等专科学校物理系,甘肃西峰745000) 摘 要:分析了光电检测时硅光电二极管线性响应及噪声特性,给出了硅光电二极管的线性 度及信噪比公式,并结合噪声E n—I n模型[1],对光电二极管用于光电检测时影响电路信噪比的 因素进行了探讨. 关键词:光电检测;信噪比;噪声模型 中图分类号:TN710.2 文献标识码:A 0 引言 硅光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中,尤其在激光通讯测量中,通常要测量微瓦以下的光信号,就更离不开硅光电二极管.质量好的硅光二极管用于激光功率测量时,测量下限可达10-8W,分辨率可达10-12W.在许多场合,光电检测电路接收到的是随时间变化的光信号,其特点是:单一频率或包含着丰富的频率分量的交变信号,当信号很微弱时,由于背景噪声和电路热噪声的影响,还需要对信号进行低噪声处理、放大.因此,在交变光电信号作用下,怎样正确选择硅光电二极管的参数,以获得最小非线性失真信号及信号检测的灵敏度就成为人们所关心的问题. 1 硅光电二极管的基本结构及等效电路 光电二极管是一种光电转换器件,其基本原理是当光照射在P—N结上时,被吸收的光能转变为电能,这是一个吸收过程,与发光二极管的自发辐射和激光二极管的受激幅射过程相逆.P—N型硅光电二极管是最基本和应用最广的管子.基本结构如图1所示,它是在N型硅单晶片的上表面扩散一薄层P型杂质,形成P+型扩散层.由于扩散,在P+区和N型区形成一个P+N结.P+区是透明的,光子可以通过P+区到达PN结区产生光电子.在N型硅单晶下表面扩散N型杂质以形成高浓度的N+扩散区,以便给金属电极提供良好的电接触.另一种常用的硅光电二极管是P—I—N型硅光电二极管,其结构同P—N型类似.位于P层和N层之间的耗尽层由本征半导体构成,可以提供一个较大的耗尽深度和较小的电容,适合于反向偏压工作.硅光电二极管的等效电路如图2所示,图中I s为电流源,它是硅光电二极管接收辐射后所产生的光电流I p和暗电流I d以及噪声电流I n之和,即: 图1 平面扩散型PN结光电二极管结构图图2 硅光电二极管等效电路 收稿日期:2001-03-19 作者简介:付文羽(1963-),男,甘肃宁县人,庆阳师专物理系讲师,工程硕士,主要从事光电检测与传感技术应用研究.
1. Low noise light-sensitive preamplifier Used in receivers for spatial light transmission and optical remote control. A reverse bias is applied to the photodiode to improve frequency response. This circuit outputs an amplified signal from the FET drain, but signals can also be extracted from the source side for interface to the next stage circuit with low input resistance. KPDC0014ED 2. Low-level-light sensor head The whole circuit is housed in a metallic shield box to eliminate external EMI (electromagnetic interference). The photodiode window size should be as small as possible. Use of an optical fiber to guide the signal light into the shield box is also effective in collecting light. If dry batteries are used and housed in the same shield box to supply power to the operational amplifier, noise originating from the AC source can be eliminated and the S/N ratio will be further improved. KPDC0016ED 3. Light balance detection circuit The output voltage Vo of this circuit is zero if the amount of light entering the two photodiodes PD 1 and PD 2 is equal. The photoelectric sensitivity is determined by the feedback resistance. By placing two diodes D in reverse parallel with each other, Vo will be limited to about ±0.5 V (maximum) in an unbalanced state, so that the region around a balanced state can be detected with high sensitivity. Use of a quadrant photodiode allows two-dimensional optical axis alignment. KPDC0017EB 4. Luxmeter This is an illuminometer using a visual-compensated photodiode S7686 and an operational amplifier. A maximum of 5000 lx can be measured with a voltmeter having a 5 V range. It is necessary to use an operational amplifier which can operate from a single voltage supply with a low bias current. A standard lamp should be used to calibrate the illuminometer. If no standard lamp is available, an incandescent lamp of 100 W can be used for approximate calibrations. To make calibrations, first select the 1 mV/lx range in the figure at the right and short the wiper terminal of the 500 9 variable resistor VR and the output terminal of the operational amplifier. Adjust the distance between the photodiode and the incandescent lamp so that the voltmeter reads 0.38 V . At this point, illuminance on the S7686 photodiode surface is about 100 lx . Then open the shorted terminals and adjust VR so that the voltmeter reads 1.0 V . Calibration has now been completed. KPDC0018EC Vo R PD : High-speed PIN photodiodes (S5052, S2506-02, S5971, S5972, S5973, etc.) R L : Determined by sensitivity and time constant of Ct of photodiode R S : Determined by operation point of FET FET: 2SK152, 2SK192A, 2SK362, etc. Bold lines should be within guarded layout or on teflon terminals. A 1:AD549, etc. Rf : 10 G 9 Max. A 2 :OP07, etc. S : Low-leakage reed relay Cf :10 to 100 pF, polystyrene capacitor PD: S1226/S1336/S2386 series, etc. PD: S1226/S1336/S2386 series, etc.A : LF356, etc.D : ISS270A, etc. Vo=Rf × (Isc 2 - Isc 1) (V) (Vo < ±0.5 V) When the amount of light entering the two photodiodes is equal, the output voltage Vo will be zero. In unbalanced state, Vo will be ±0.3 to 0.5 V. This circuit can be used for light balance detection between two specific wavelengths using optical filters. IC : ICL7611, TLC271, etc.PD: S7686 (3.8 μA/100 lx) * Meter calibration potentiometer 1
光电脉搏检测电路设计报告 脉搏波的概述 1.脉搏波的定义 脉搏波是以心脏搏动为动力源, 通过血管系的传导而产生的容积变化和振动现象。当心脏收缩时, 有相当数量的血液进入原已充满血液的主动脉内, 使得该处的弹性管壁被撑开,此时心脏推动血液所作的功转化为血管的弹性势能; 心脏停止收缩时, 扩张了的那部分血管也跟着收缩, 驱使血液向前流动, 结果又使前面血管的管壁跟着扩张, 如此类推。这种过程和波动在弹性介质中的传播有些类似, 因此称为脉搏波(pulse wave) 。 2.脉搏信息 血液在人体内循环流动过程中，经历过心脏的舒张、内脏流量的涨落、血管各端点的阻滞、血管内波的折一反射以及血管壁的黏弹等过程。脉搏波不仅受到心脏状况的影响，同时要受到内环境调控功能器官(脏器) 状态所需血液参数以及系统状态参数等的影响。所以脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息，很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。 3.脉搏测量的意义 脉搏是临床检查和生理研究中常见的生理现象，包含了反映心脏和血管状态的重要生理信息。人体内各器官的健康状态、病变等信息将以某种方式显现在脉搏中即在脉象中。人体脉象中富含有关心脏、内外循环和神经等系统的动态信息。通过对脉搏波检测得到的脉波图含有出许多有诊断价值的信息，可以用来预测人体某些器脏结构和功能的变换趋势，如:血管几何形态和力学性质的变异会引起脉搏波波形和波速等性质的改变，而脉搏的病理生理性改变常引发各种心血管事件，脉搏生理性能的改变可以先于疾病临床症状出现，通过对脉搏的检测可以对如高血压和糖尿病等引起的血管病变进行评估。同时脉搏测量还为血压测量，血流测量及其他某些生理检测技术提供了一种生理参考信号。 设计目的与意义 ?目的 应用光电式传感器、放大滤波电路组成的脉搏测量电路 通过示波器显示人体指端动脉脉搏信息 ?意义 通过观测到的脉搏的次数、跳动的波形为临床提供部分 诊断价值的信息，为人体某些器脏结构和功能的变换趋势提供生理参考信号 系统设计 1.测量信号的特征
北方民族大学 课程设计报告 院（部、中心）电气信息工程学院 姓名学号 专业测控技术与仪器班级测控技术与仪器101 同组人员 课程名称光电技术综合技能训练 设计题目名称光敏二极管的性能测试 起止时间 成绩 指导教师签名盛洪江 北方民族大学教务处制 摘要 随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。 关键词:光敏二极管、ELVIS实验平台、LABView8.6、OSLO软件 引言 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具不同的光电特性和检测性能。 光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。光生电动势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光敏二极管有硅、砷化铅光敏二极管等许多种，由于硅材料的暗电流温度系数较小，工艺较成熟，因此在实验际中使用最为广泛。
目录 摘要 1 引言 1 目录 2 光敏二极管 3 光电效应 4 光电导效应 4 光生伏特效应 4 光敏二极管的工作原理 5 光敏二极管 5 LabVIEW软件5 总结 6 附录7 程序设计原理图7 结果图8 实验连线9 光敏二极管 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我上来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。 光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，图1（a）是其结构示意图。光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态，如图1（b）所示。 光电效应 光电导效应 若光照射到某些半导体材料上时，透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大，这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。 光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃
光电二极管的工作原理与应用 学生：李阳洋王煦何雪瑞黄艺格指导老师：陈永强 摘要：光电二极管是结型器件。当光照射在P-N结时,光子被吸收,产生电子-空穴对,电子和空穴在结区被结电场所收集,在外电路形成光电流。为了保证绝大部分响应波长的入射光能在结区吸收,这就要求空间电荷区有足够宽度,所以外电路加有足够的反偏电压。 关键词：光电二极管;光电流;暗电流;反偏电压;光功率 1、引言 随着科学技术的发展，在信号传输和存储等环节中，越来越多地应用光信号。采用光电子系统的突出优点是，抗干扰能力较强、传送信息量大、传输耗损小且工作可靠。光电二极管是光电子系统的电子器件。光电二极管（photodiode）是一种能够将光根据使用方式转换成电流或者电压信号的光探测器。常见的传统太阳能电池就是通过大面积的光电二极管来产生电能。 2、工作原理 光电二极管是将光信号转换成电流或电压信号的特殊二极管，它与常规二极管结构上基本相似，都具有一个PN结，但光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。其基本原理是当光照在二极管上时，被吸收的光能转换成电能。光电二极管工作在反向电压作用下，只通过微弱的电流（一般小于0.1微安），称为暗电流，有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的电子，使有些电子挣脱共价键，而产生电子-空穴对，称为光生载流子，因为光生载流子的数目是有限的，而光照前多子的数目远大于光生载流子的数目，所以光生载流子对多子的影响是很小的，但少子的数目少有比较大的影响，这就是为什么光电二极管是工作在反向电压下而不是正向电压下，于是在反向电压作用下被光生载流子影响而增加的少子参加漂流运动，在P区，光生电子扩散到PN结，如果P区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子将能穿过P区到达PN结，在N区也是相同的道理，也因此光电二极管在制作时，PN结的结深很浅，以促使少子的漂移。综上若光的强度越大，反向电流也就越大，这种特性称为光导电，而这种现象引起的电流称为光电流。总的来说光电二极管的工作是一个吸收的过程，它将光的变化转换成反向电流的变化，光照产生电流和暗电流的综合就是光电流，因此光电二极管的暗电流因尽量最小化来提器件对光的灵敏度，光的强度与光电流成正比，因而就可以把光信号转换成电信号。 图1基本工作原理
光电二极管及其相关的前置放大器是基本物理量和电子量之间的桥梁。许多精密应用领域需要检测光亮度并将之转换为有用的数字信号。光检测电路可用于CT扫描仪、血液分析仪、烟雾检测器、位置传感器、红外高温计和色谱分析仪等系统中。在这些电路中,光电二极管产生一个与照明度成比例的微弱电流。而前置放大器将光电二极管传感器的电流输出信号转换为一个可用的电压信号。看起来好象用一个光电二极管、一个放大器和一个电阻便能轻易地实现简单的电流至电压的转换,但这种应用电路却提出了一个问题的多个侧面。为了进一步扩展应用前景,单电源电路还在电路的运行、稳定性及噪声处理方面显示出新的限制。 本文将分析并通过模拟验证这种典型应用电路的稳定性及噪声性能。首先探讨电路工作原理,然后如果读者有机会的话,可以运行一个SPICE模拟程序,它会很形象地说明电路原理。以上两步是完成设计过程的开始。第三步也是最重要的一步（本文未作讨论）是制作实验模拟板。 1 光检测电路的基本组成和工作原理 设计一个精密的光检测电路最常用的方法 是将一个光电二极管跨接在一个CMOS输入 放大器的输入端和反馈环路的电阻之间。这种 方式的单电源电路示于图1中。 在该电路中,光电二极管工作于光致电压 （零偏置）方式。光电二极管上的入射光使之 产生的电流I SC从负极流至正极,如图中所示。由于CMOS放大器反相输入端的输入阻抗非常高,二极管产生的电流将流过反馈电阻R F。输出电压会随着电阻R F两端的压降而变化。 图中的放大系统将电流转换为电压,即 V OUT = I SC×R F（1） 图1 单电源光电二极管检测电路 式（1）中,V OUT是运算放大器输出端的电压,单位为V;I SC是光电二极管产生的电流,单位为A;R F是放大器电路中的反馈电阻,单位为W 。图1中的C RF是电阻R F的寄生电容和电路板的分布电容,且具有一个单极点为1/（2p R F C RF）。 用SPICE可在一定频率范围内模拟从光到电压的转换关系。模拟中可选的变量是放大器的反馈元件R F。用这个模拟程序,激励信号源为I SC,输出端电压为V OUT。 此例中,R F的缺省值为1MW ,C RF为0.5pF。理想的光电二极管模型包括一个二极管和理想的电流源。给出这些值后,传输函数中的极点等于1/（2p R F C RF）,即318.3kHz。改变R F 可在信号频响范围内改变极点。
实验四PIN光电二极管特性测试 一、实验目的 1、学习掌握PIN光电二极管的工作原理 2、学习掌握PIN光电二极管的基本特性 3、掌握PIN光电二极管特性测试的方法 4、了解PIN光电二极管的基本应用 二、实验内容 1、PIN光电二极管暗电流测试实验 2、PIN光电二极管光电流测试实验 3、PIN光电二极管伏安特性测试实验 4、PIN光电二极管光电特性测试实验 5、PIN光电二极管时间响应特性测试实验 6、PIN光电二极管光谱特性测试实验 三、实验器材 1、光电探测综合实验仪1个 2、光通路组件1套 3、光照度计1台 4、PIN 光电二极管及封装组件1套 5、2#迭插头对（红色，50cm）10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm）10根 7、三相电源线1根 8、实验指导书1本 9、示波器1台 四、实验原理 光电探测器PIN管的静态特性测量是指PIN光电二极管在无光照时的P-N结正负极、击穿电压、暗电流Id以及在有光照的情况下的输入光功率和输出电流的关系（或者响应度），光谱响应特性的测量。 图5-1 PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布 图5-1是PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层。在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层宽度有如下关系： LP/LN=DN/DP
其中：DP和DN 分别为P区和N区的掺杂浓度；LP和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN中，如对于P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，由于I层近于本征半导体，有 DN<
光敏二极管特性测试实验 一、实验目的 1.学习光电器件的光电特性、伏安特性的测试方法； 2.掌握光电器件的工作原理、适用范围和应用基础。 二、实验内容 1、光电二极管暗电流测试实验 2、光电二极管光电流测试实验 3、光电二极管伏安特性测试实验 4、光电二极管光电特性测试实验 5、光电二极管时间特性测试实验 6、光电二极管光谱特性测试实验 7、光电三极管光电流测试实验 8、光电三极管伏安特性测试实验 9、光电三极管光电特性测试实验 10、光电三极管时间特性测试实验 11、光电三极管光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电二三极管综合实验仪 1个 2、光通路组件 1套 3、光照度计 1个 4、电源线 1根 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 四、实验原理 1、概述
随着光电子技术的发发展,光电检测在灵敏度、光谱响应范围及频率我等技术方面要求越来越高，为此，近年来出现了许多性能优良的光伏检测器，如硅锗光电二极管、PIN光电二极管和雪崩光电二极管（APD）等。光敏晶体管通常指光电二极管和光电三极管，通常又称光敏二极管和三敏三极管。 光敏二极管的种类很多，就材料来分，有锗、硅制作的光敏二极管，也有III－V族化合物及其他化合物制作的二极管。从结构我来分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒及点接触型等。从对光的响应来分，有用于紫外光、红外光等种类。不同种类的光敏二极管，具胡不同的光电特性和检测性能。例如，锗光敏二极管与硅光敏二极管相比，它在红外光区域有很大的灵敏度，如图所示。这是由于锗材料的禁带宽度较硅小，它的本征吸收限处于红外区域，因此在近红外光区域应用；再一方面，锗光敏二极管有较大的电流输出，但它比硅光敏二极管有较大的反向暗电流，因此，它的噪声较大。又如，PIN型或雪崩型光敏二极管与扩散型PN结光敏二极管相比具有很短的时间响应。因此，在使用光敏二极管进要了解其类型及性能是非常重要的。 光敏二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。与光电池相比，它的突出特点是结面积小，因此它的频率特性非常好。光生电动势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为数微安到数十微安。按材料分，光敏二极管有硅、砷化铅光敏二极管等许多种，由于硅材料的暗电流温度系数较小，工艺较成熟，因此在实验际中使用最为广泛。 光敏三极管与光敏二极管的工作原理基本相同，工作原理都是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。 2、光电二三极管的工作原理 光生伏特效应：光生伏特效应是一种内光电效应。光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场，当光照射这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和聚集而产生电位差。这种现象是最重要的一类光生伏特效应。均匀半导体体内没有内建电场，当光照射时，因眼光生载流子浓度梯度不同而引起载流子的扩散运动，且电子和空穴的迁移率不相等，使两种载流