1 光电管原理
光电二极管,根据不同的操作原理,将光信号转为电信号(电路或者电压)。
光电二极管,类似于常规的半导体二极管,但是其一般采用的是PIN结(而不是p-n结),用以提高响应速度。光电二极管,设计形式是反向偏压模式。当光子 的能量足够击穿电极时,电子将被激发出来,从而形成自由电子(同时形成一个正电荷),这种机制也称为光电效应。电荷往正极偏移,电子往负极偏移,从而产生 光电流。光电流是光信号和暗背景信号的总和,因此必须控制暗背景信号,以便增强设备的灵敏度。
光伏模式:零偏压状态下,限制设备的光电流,形成一个电压。太阳能电池是应用此模式开发出的大感光面的光电二极管。
光导模式:反向偏置状态下,大幅减少响应时间,同时带来高的噪声。增加耗尽层宽度,从而降低结电容,实现快速响应。反向偏置诱导一小部分电流(饱和电流或 反向电流)延其方向。对于给定的光谱分布,光电流线性正比于光照度和辐照度。光导模式的最大优势在于其快速响应,但是存在电子噪声大的缺陷。
雪崩光电管:结构与普通光电管相似,但是其操作时需更高的反向偏置电压。通过雪崩击穿,每个光子可以成倍扩张,导致光电管内部增益,提升设备的有效响应。
光电晶体管:内部增益型光电二极管。光电晶体管类似于双极晶体管,光经过透明的封装壳体到达基极-集电极。光电晶体管不能应用检测微弱信号光,并且响应时间较长。
2 光电管材料
光电二极管的材料是决定其性能的关键因素,因为通过激发材料带隙来产生光电流。通常,用于生产光电二极管的材料包括:硅:190-1100nm 响应波段;锗: 400-1700nm 响应波段;铟镓砷:800-2600nm 响应波段;硫化铅:1000-3500nm 响应波段。硅光电管具有较低的噪声,锗光电管一般用于1um以上的光谱波段。
3 光电管特点
响应度:产生光电流和入射光功率的比值,通常采用 A / W 进行表示。响应度也说明了量子效率。
暗电流:没有作用光的情况下,光电管所产生的电流。暗电流由背景辐射和半导体结的饱和电流所产生。如果光电管用于准确的光功率测量,暗电流必须要进行校准扣除。暗电流也是光通讯系统的噪声源。
噪声等效功率(NEP):产生光电流的最小输入光功率,等效于1Hz带宽的噪声均方根。NEP的倒数1/NEP,是探测度D,大致反映了光电管的探测能力。如果光电管应用于光通讯系统,NEP将影响光接收机的响应度,即光接收机实现指定误码率的最小输入功率。
4 光电管应用
光电二极管应用广泛,其应用类似于光敏半导体、光电耦合器件、光电倍增管。
光电二极管(PIN),类似于光敏半导体,用于消费电子设备,包括:光盘播放器、烟雾探测器,录像机和电视机的遥控接收器。光 电二极管用于工业和科研领域的精确测量系统,包括:医疗检测设备、分析仪器、工业检测。PIN 光电二极管具有更快的响应和更高的灵敏度,因此也可用于光通讯领域和照明调控。
雪崩光电管(APD),类似于光电耦合器件和光电倍增管,应用于微弱信号的场合,包括:光文学、光谱仪、夜视设备、激光测距。
光电二极管阵列(PDA),用于需要对多光谱进行快速检测的场合。例如,一维光电二极管阵列用于位置传感。光电管阵列的优势在于,针对驱动电路不是基于CMOS和CCD传感的场合,可以并行读取数据。
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