用于位置检测的光电二极管参数分析

谭立杰，魏祥英，孙 敏，闫 芸

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

光电二极管（Photodiode）是由PN结组成的半导体器件，具有单方向导电特性。在制作光电二极管时，PN结做得比较大，以便接收更多入射光。根据结构，光电二极管划分PN型和PIN型，PIN型光电二极管在P层和N层中间有一层本征层。光电二极管的波长覆盖范围从紫外光、可见光到近红外光，典型的光电二极管材料为硅（Si）、锗（Ge）、铟镓砷（InGaAs）、铟镓砷磷（InGaAsP）等。光电二极管工作原理：吸收光辐射产生载流子，半导体共价键中的束缚电子吸收光子能量后挣脱共价键，产生电子-空穴对，也就是光生载流子；光生载流子在二极管内漂移形成光电流，光强越大，光电流越大。光电二极管一般工作在光伏模式或者光导模式下，光伏模式是零偏置，不增加反向偏压，光电流流动受到限制，这种模式的暗电流最小，应用于太阳能电池；光导模式需要外加偏压，外加的偏压使PN结耗尽区的宽度增加，响应度增大，结电容变小，响应度趋于直线，这种模式下暗电流比较大，同时响应速度快，光电流大，适用于高速位置检测系统[1]。其产生光电流原理如图1所示。

图1 光电二极管产生光电流原理

1 光电二极管在位置检测中的作用

在位置检测时，特定波长的光入射到光电二极管传感器，在反向偏置电压（Ub）下产生光电流（I），光电流与入射光强（E）具有很好的线性特性，如图2所示。通过前置放大器和调理电路将光电流转换成电压，经过模数转换电路进行采样，对数据进行拟合分析计算相对位置变化。

图2 光电二极管伏安特性曲线

2 光电二极管参数特性分析

用于位置检测的光电二极管要求反应速度快，暗电流低，噪声小，光谱特性满足入射光要求。以红光波段入射光的光强检测为例，根据应用需求：入射光为红光633 nm，调制频率100 kHz，光斑大小为80μm×80μm，光强大小为100 nW～100μW，信号带宽为0.1～10 kHz。通过参数分析选择高速硅PIN光电传感器滨松S5973型光电二极管，可用于可见光和近红外光检测，具体参数特性如表1所示。

表1 滨松S5973光电二极管性能参数[2]

比较重要的光电参数是有效感光面积、最大反偏电压、光灵敏度、暗电流、噪声等效功率、响应速度等，以S5973为例参数特性分别进行了分析。有效感光面积根据实际入射光面积来选择。一般情况下，感光面积小，结电容小，响应速度快，适用于高速位置检测；感光面积大，结电容大，响应速度变慢，比较适用于光能量检测。有效感光面积应大于入射光的光斑面积，而且面积越小越好。

最大反偏电压（VR）是光电二极管阴极能够加的最大反偏电压，随着反偏电压的增大，结电容减小，反应速度增加，暗电流增大。设计时根据参照特性曲线选择合适的偏置电压加在光电二极管两端，也可以设计实验，通过增加不同的反偏电压，测量上升时间，根据结果选择最佳反偏电压。

光灵敏度（A/W）为光电流（A）与特定波长入射光辐射能量（W）的比值。图3光谱响应曲线是光灵敏度与波长的对应关系，给出了光灵敏度最高的入射光波长，也给出了几个特定波长供快速查询。由图3中可以看出红光λ633=0.42 A/W。

图3 光谱响应曲线

光灵敏度与温度也有关，在光灵敏度峰值波长的波段内，温度与光灵敏度呈正相关。在光灵敏度峰值波长短的波段内，光灵敏度不随温度变化，光电二极管温度特性曲线如图4所示。在波长633 nm波段，灵敏度基本不受温度影响，可以忽略。

图4 光电二极管温度特性曲线

量子效率（QE）定义为特定波长的光照下，最终形成光电流的电子（或者空穴）数目占总入射光子的百分比。由于不同波长的光子能量不同，所以QE的峰值与光灵敏度的换算关系如式(1)：

式(1)中，QE为量子效率，S为光灵敏度，λ为入射光波长。

暗电流（ID）是光电二极管在没有入射光照射的情况下产生的直流电流，包括制作的晶体材料表面缺陷形成的泄漏电流和载流子热扩散形成的本征暗电流。暗电流本身不是噪声，暗电流的不确定性，也就是波动性是形成噪声的因素之一。暗电流与反向电压、温度有关，反向电压越强，温度越高，暗电流越大。一般情况下，暗电流很小，在1 nA以内光电二极管特性比较好。

噪声等效功率（NEP）噪声等效功率反映了光电二极管可以探测的最小光强，数值越小越适用于微弱信号检测。等效于1 Hz带宽内均方根噪声电流所需的最小输入辐射功率，是信噪比为1时所对应的光信号辐射能量，是光电二极管接收的最小光功率。一般而言，NEP随着探测器的感光面积而增大，用式(2)表示：

式(3)中，S(peak)为峰值波长的响应度，S(a)为波长为a的入射光响应度，f为频率。

根据式(3)计算红光633 nm的最小输入能量为1.32×10-15W/Hz1/2，远小于最小输入光强100 nW，满足入射光最小光强要求。

响应速度一般有截止频率或者上升时间来定义，由于光电二极管的电信号在时间上落后于入射的光信号，也就是光电流输出相对于输入的光强发生沿时间轴的扩展，扩展的程度即响应时间由上升时间来描述。截止频率fc定义为光电二极管接收正弦调制光波时，输出电流相比于100%输出下降到-3 dB时的频率[3]。与上升时间tr的换算关系为：

上升时间是信号由10%上升到90%的时间。终端电容Ct下降，反偏电压VR上升，负载电阻RL下降，可以提高上升时间，增强光电二极管的响应速度[4]。样本中给出的终端电容是没有光照时的光电二极管总电容，包括结电容（Cj）和封装时所产生的寄生电容。终端电容越大，上升时间越长，反应越慢。由图5光电二极管频率特性曲线可以看出S5973在大约1 GHz时，增益下降到-3 dB，根据公式计算上升时间tr为0.35 ns。

图5 光电二极管频率特性曲线

光电二极管响应时间可以设计实验验证，并与前端放大电路的响应时间一起作为信号的延迟时间，在模数转换采样阶段进行补偿，达到光强信号与位置的同步对应关系，实际上高速光电二极管响应时间非常短，在要求不高的情况下可以忽略不计。更重要的是在位置检测中，入射光往往是经过调制的交变信号，如果光电二极管的响应速度跟不上光信号的变化，则输出的光电流随着调制频率升高而减小，信号失真，所以在位置检测的应用中根据入射调制光信号频率计算响应时间，且时间越短越好。

3 结束语

光电二极管探测器特别是PIN型光电二极管探测器由于响应速度快、暗电流低、噪声低等特点越来越多地被应用到位置检测和图像检测等工业领域，选择满足设计需求的光电二极管很重要。首先对光电二极管的光灵敏度、暗电流、噪声等效功率和响应速度等参数进行了重点分析，说明相应参数对使用的实际意义，给出了理论计算公式和参数间的相互换算关系，并结合应用需求、光学设计、电路设计，进行了综合选择光电二极管参数。设计完成后进一步搭建实验平台进行参数测校，测校结果使用软件处理，通过算法运算才能将光强转换成精密的位置对准信息。在实际使用中对于光电二极管的实际性能还有很多不确定因素，相同型号的光电二极管也会有性能上的差异，对于性能一致性的测试还需要继续研究。