摘要：近年来，随着光电检测技术的发展及应用，该技术已经被广泛地应用于航天、医疗、环境科学、农业、工业以及军事等诸多领域。光电探测器件是光电检测技术的核心，其作用是实现光信号到光电流信号的转换，然后再转换为电信号。为此，本文就光电检测电路中的硅光电二极管的应用进行简要地研究，首先介绍了硅光电二极管的基本结构，然后分析了电路特性，最后进一步研究了光电检测电路的设计与实现，希望能够对读者有所帮助。
关键词：光电检测电路；光电探测器；硅光电二极管
引言
硅光电二极管具有噪声低、线性好、灵敏度高、响应快等优点而被作为整个光电检测电路的核心器件。然而，当所检测的光信号较为微弱的时候，往往需要外接光电放大电路，由于设计电路结构以及器件芯片选型的不同，受各种噪声叠加及电路中阻抗分流的影响，电路输出端的信噪比降低或线性响应度变差。因此，对硅光电二极管在光电检测电路中的应用进行分析研究是非常重要的。
1.硅光电二极管的基本结构
光电二极管能够将所吸收的光能转换为电能，属于一种光电转换的器件，与激光二极管的受辐射和发光二极管的自发辐射过程相逆，其中，PN型硅光电二极是目前应用最广和最基本的管子。PN型硅光电二极管的基本结构包括有效面积区、引线、P+扩散区、PN结区、N+扩散区以及金属接触层几部分，其中光可以通过透明的P+区直接到达PN结区，产生光电子，N+扩散区的主要作用在于为金属电极提供良好的电接触。此外，P—I—N型光电二极管也是当期常用的硅光电二极管，其更适用于反向偏压工作，结构与PN型硅光电二极管相类似，N层与P层间的耗尽层是由本征半导体构成的，其作用是提供一个较小的电容和较大的耗尽深度。通常情况下，质量较好的硅光电二极管的噪声是可以忽略不计的，主要原因在于其噪声电流非常小。在硅光电二极管对信号的测量中，本来能够通过调零将暗电流消除，然而，暗电流受温度的影响很大，随着温度的升高而升高，因此，由暗电流引起的噪声对硅光电二极管检测灵敏度的影响是不可被忽视的。此外，在应用硅光电二极管时，暗电流随着所加偏压的升高和面积的增大而增大。
2.电路特性分析
2.1线性响应分析
在各种光电检测应用过程中，为了尽量低损耗的将光生电流转换为输出电流，往往需要选用线性输出响应良好的光敏器件。理想状态下，在结构上可以将硅光电二极管等效成为一恒流源与其自身分流结构相互并联的形式。当微弱低频光信号经过光电探测器后，所输出的光电流为非常微弱的直流信号，因此，硅光电二极管结电容与后续检测电路等效负载电容的分流影响是可以忽略不计的。当无光照射时，所产生暗电流的值与硅光电二极管自身截面积存在较大的关系。此外，经过负载的电流主要取决于其自身阻值大小及硅光电二极管结构。因此，在实际光电检测电路设计时，应该尽可能地选用串联电阻较小、并联分流电阻较大、暗电流较小的硅光电二极管，同时要保证连接在硅光电二极管端的负载阻抗为零，从而保证硅光电二极管检测电路输出端具有良好的线性响应，
2.2硅光电二极管噪声特性分析
噪声是影响光电检测的一个重要因素，因此，对硅光电二极管噪声特性进行分析是必不可少的。硅光电二极管噪声主要包含热噪声和散粒噪声两种，其中，热噪声是由于电阻材料中的自由电子随机运动所产生的，取决于材料的噪声等效带宽、电阻及温度，而散粒噪声是由硅光电二极管PN结中的截流子随机运动而产生的，属于白噪声，与通过光电二极管的电流和噪声带宽相关，而与频率无关。
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光电检测电路的信噪比不仅与所选用硅光电二极管的性能和偏压方式有关，而且还取决于输入电路的元件参数。在目前光电检测电路设计中常利用运算放大器接成电压电流转换器来确保负载阻抗为零间，以满足输出线性响应的要求。通常而言，预算放大器的应用既能够使硅光电二极管测量的线性得到有效提高，同时也使得硅光电二极管的工作区域状态接近于短路，整个光电检测电路可获得最小的噪声系数。影响光电检测电路信噪比的因素主要包含以下几个方面：一是运算放大器的反馈电阻及硅光电二极管的内阻，适当地提升放大器的反馈电阻以及选用适当的硅光电二极管不仅有利于改善信噪比，而且还有利于电压、电流转换的转换系数提高。二是失调的电压、电流以及放大器的等效输入噪声电压、电流，其中失调电压、电流的大小会随着温度而漂移，虽然在电路调整时能够对失调电压、电流加以补偿，然而随温度漂移的影响必然会在电路输入端产生噪声，而等效输入噪声电流中所造成的噪声电流在总噪声电流的绝大部分，因此，为了提高电路输出端的信噪比，应该尽可能地选用噪声性能更好、失调电压、电流较低的放大器。
3.检测电路的设计与实现
3.1光电检测电路的设计
通过上文的分析研究，本文以由DET36A硅光电探测器件及ICL7650运放芯片设计而成的光电检测电路进行分析。该硅光电二极管探测器件通过其内部的PIN型硅光二极管，实现光信号到电信号的转换，且二极管的受光区域能够满足不同波长滤光片的搭建，而所选用的ICL7650运放芯片具有功耗低、输入阻抗高的特点，此外，还具有价格低廉，斩波稳零的优点，一方面能够使微弱直流光电流信号得到有效地放大，另一方面还可以补偿电路温度漂移干扰，有助于电路输出信号精度的提升，因此适用于低噪声、微电流的运算放大器。
3.2光电检测电路测试
按照上文所提出的设计方法搭建了实验板线路，并且通过示波器对无光照射条件下所搭建电路的输出噪声进行了测试，测试结果表明该检测电路的灵敏度能够到达10mV。当光照条件较差时，为了对微弱光信号进行充分收集，同时尽量地将光电器件受光照不均匀消除，从而提升实验精度，实验过程中可以先利用透镜将微弱光信号进行聚焦，然后再将聚焦后的光信号以正面垂直的方式照射到硅光电二极管的感光面，然后再对的输入端光照与输出端电压之间的关系进行进一步测量，测量结果表明将硅光电二极管应用于光电检测电路中，同时在配以低噪声高增益的运放芯片，其电路具有良好的线性输出响应。
结语
总而言之，本文通过硅光电二极管的基本结构及电路特性的分析，并以此为指导设计了一种光电检测电路，同时对该电路进行了测试。测试结果表明该光电检测电路具有结构简单、线性良好、输出噪声低等优点。因此，光电二极管检测电路中硅光电二极管的选用及应用应该注意光电检测电路的噪声特性及线性响应。
参考文献
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论文作者:杨劲
论文发表刊物:《电力设备》2017年第1期
论文发表时间:2017/3/9
标签：电路论文; 光电论文; 噪声论文; 电流论文; 线性论文; 信号论文; 器件论文; 《电力设备》2017年第1期论文;