光电探测器读出噪声分析方法

文/韩振伟 宋克非 刘阳 陈波

1 引言

光电探测器以半导体材料为基质，利用材料的光电效应原理，将入射光或光子转换为电流或电荷，便于采集测量各个波段的入射光强度。光电探测器广泛应用于人类日常生活以及科学研究等诸多方面，尤其在空间天文与太阳物理，空间物理、空间环境等领域起着越来越重要的作用。鉴于光电探测器的重要作用，本文详细阐述了光电探测器工作原理和读出电路的噪声分析方法。

光电探测器模型的建立，是进行光电探测器理论研究、为设计提供指导和检验光电系统工作准确性和有效性的前提。建立光电探测器的等效电路模型，就是利用电子元件建立能够反映探测器性能的电路模型，得到一个光电一体化的等效模型，因此建模方法的合理性和准确性是决定模型可行性的关键因素。光电探测器与读出电路整体建模，通过分析电路参数对光电探测器的影响，为电路系统的设计带来便捷性。在整体模型的基础上可以通过修改光电探测器模型寄生参数来估算系统噪声水平，为光电探测器的设计和优化提供指导，实现光电探测器性能的最优化。

2 光电探测器工作原理

光电效应是指入射光子和光电探测器材料中的被束缚电子发生相互作用，使束缚电子变成为自由电子的一种效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两种类型。外光电效应是指入射光子引起光电探测器材料表面发射电子的效应，而内光电效应是指入射光子激发的载流子（电子或空穴）仍保留在探测器材料内部的效应。光电探测器根据结构可以划分很多类型，包括光电二极管、光电三极管、光电导和光电池等。其中光电二极管又在原有PN结光电二极管的基础上衍生了 PIN光电二极管、雪崩(APD)光电二极管等多种形式。

由于光电二极管具有线性范围宽、光谱响应度高、结构简单和可靠性高等优点，其被广泛应用于空间科学探测领域。下面主要介绍常见的PN结光电二极管的工作原理。光电二极管常用工作模式可以分为两种，一种是零偏置工作（也称为光伏模式），第二种是反偏置工作（也称为光导模式）。在光伏模式时，光电二极管可以在较宽的范围内线性工作；而在光导模式时，光电二极管可具有较高的响应速度，这通常以减少线性范围为代价。在反偏置工作条件下，即使无光照也会存在暗电流。在零偏置工作条件下则没有暗电流，此种状态下光电二极管噪声基本上是等效电阻产生的热噪声，但在实际工作状态下，读出电路会对光电二极管产生较小的偏置电压，所以依然会出现暗电流或者暗噪声现象。在反偏置工作条件下，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。在光电二极管应用过程中，需要根据两种模式的特性，对设计方法进行优化，得到较好的性能。

图1：信号处理采集电路框图

图2：光电二极管放大电路噪声模型

光电二极管在零偏压状态下实现光电转换过程简单高效，当特定波长的入射光照射在光电二极管表面，光子能量被半导体所吸收后，价带中的电子被激发到导带中，而在价带中留下空穴，产生电子和空穴对。电子和空穴受到耗尽层中的电场的加速分别向N区和P区运动，当读出电路连接至PN结两端，电子和空穴会定向移动形成电流。当光照为零时，光电二极管由于热运动产生的电流为暗电流，也称为暗噪声。在精密光电测量领域，微弱入射光产生的光电流也非常微弱，此时光电二极管自身的暗噪声就不可忽略。

3 读出电路方案设计与分析

光电二极管信号处理采集电路分为三个模块，电流转电压电路、二级放大电路和AD转换电路，电路原理框图如图1所示。

光电二极管等效电路和信号处理电路噪声模型如图2所示。Id代表二极管产生的光电流，Cd代表二极管等效电容，Cf代表反馈电容提供电路稳定性，en1、en3、en5和en6代表电阻元器件的热噪声，en2和en4代表放大器的电压噪声，in代表放大器的电流噪声。

当次要噪声源低于三分之一主要噪声源时，次要噪声源导致的误差会非常小总噪声源就可以认为是次要噪声源可以忽略不计。所以需要首先评估电路每一部分的噪声源贡献，确定哪些噪声源为主要的，这样便于分析运算放大器电路的噪声性能。为了计算简便，通常可以用噪声频谱密度来代替实际电压，从而将带宽因素排除在计算之外。图2种可以看到共有7个独立噪声源，包括4个电阻的约翰逊噪声、运算放大器电压噪声和运算放大器各输入端的电流噪声。放大器输出端噪声由这些不相关噪声源共同决定。噪声水平一般用等效输入噪声来衡量，但是在分析计算过程中，输出端噪声比较利于方便计算，通常将求得的输出端噪声除以放大器的噪声增益便可以得到等效输入噪声。

光电二极管以AXUV100G型号为例，等效电阻在25℃下为20M，折算至IV转换电路输出端噪声密度为2.8µv/。前置放大电路采用电流转换电压（IV转换）电路形式，运算放大器选用AD公司的静电计级放大器AD549SH，偏置电流75fA，等效输入电压噪声在0.1Hz～10Hz为6µVpp，等效输入电流噪声在0.1Hz～10Hz为0.5fArms。反馈电阻选用100M，等效电压噪声密度为1.26µv/。IV转换电路设计带宽为10Hz，光电二极管与IV转换电路总输出噪声为13.84µVrms。二级放大电路选用低噪声精密放大器OP27A，等效输入电压噪声密度为3.5nv/，在40倍增益档位下，IV转换电路与二级放大电路总输出噪声为554.3µVrms，等效为电路前端输入电流噪声0.14pArms。

4 结束语

本文给出了一种光电二极管读出电路的设计方案，通过优化光电二极管等效电路模型和系统噪声分析计算方法，实现了低噪声光电探测电路。该电路适合应用于微弱光探测场合，光电流探测可达到pA量级。