选择一个光电二极管为红外光学传感器

2020年2月24日

三色光电二极管传感器

CCD或CMOS传感器阵列通常是默认选择光传感器的光学系统。这些组件是一个熟悉的组件在相机,和他们有一个成功的历史。这些组件是聚会的理想在广泛的波长敏感的光谱测量,内外的可见光谱。然而,如果你需要收集敏感测量单个波长或波长范围非常狭窄,光电二极管传感器是一个更好的选择。

二极管可以用于非常利基成像的应用程序包括一个波长光栅扫描模式。然而,无论你的图片生产将有类似的决议CMOS / CCD捕获图像取决于光学系统中设置。相反,光敏二极管是最好的用于敏感强度测量。他们也在高速光纤通信工具。让我们来看看这些不同的应用程序的布局与光敏二极管的挑战。

类型的光电二极管传感器

所有光电二极管传感器工作在类似的原则下光伏电池:他们将光转化为电能。这发生的方式取决于如何进入一个光电二极管电路。光电二极管在光伏运营模式(运行在正向偏压时)和光电二极管模式(运行在反向偏压时)。在反向偏压二极管运行这提供了一个线性响应,响应范围可与输入光强度相当大。

光敏二极管的设计是为了在特定的波长,尽管波长范围可能相当广泛的(一些材料生成微米)。光电二极管传感器的响应率依赖于设备和材料用于构造其内部掺杂剖面。一些常见的材料及其有用波长:

如果:最佳用于可见光和近红外波段。如果有一个间接带隙1.1 eV,所以吸收边缘~ 1100 nm。过饱和掺杂可能是一个方法来扩展硅光电二极管吸收SMF波长。
InGaAs:这个III-V材料提供感应~ 2600 nm。结电容灵敏度和低(< 1 nF) InGaAs二极管检测SMF的标准选择波长(1310和1550 nm)和高数据率。Non-stoichiometric在(1 - x) GaxAs可用于构建可调谐二极管,能带可以使用更增加了Ga的三元合金。
通用电气:这种材料比硅更昂贵,尽管它有一个窄的直接带隙和敏感~ 1600 nm。低于InGaAs二极管并联电阻,产生更大约翰逊噪声输出电流。因此,它不太理想的使用SMF的波长。
HgCdTe:这种材料提供了极其宽带检测从~ 1 ~ 14微米。
在灵敏度:这种材料提供了更深的近红外光谱区域(~ 3800海里)。
族化合物材料:这类材料是一个候选人对未来electronic-photonic集成电路(史诗),尽管许多硅光子学的发展。时间会告诉我们这类的材料将成为史诗的最好材料。

PN和PIN光敏二极管

光电二极管传感器在pn和p i n,指他们的内部结构和掺杂区域。pn二极管相比,使用pin二极管提供了一个更大的损耗;虽然这需要更大的为特定的输出输入电压增益,这些传感器可以更高的量子效率(达到80%到90%)。

虽然变容二极管p-n-n +结构和被设计为运行在反向偏压,他们不是通常优化高光敏性。然而,这种类型的结构也可以被用作一个光电二极管电容传感器提供电压调谐输出。光电二极管结电容的是相当重要的,因为它决定了光电二极管响应/恢复时间,然后决定了最大速率能够感知光脉冲,如光纤。

雪崩光电二极管

类似于一个标准的雪崩二极管、雪崩光电二极管被设计为运行在一个较高的反向偏置电压接近击穿阈值。这些二极管可以提供很高的增益(达到105至106年),但高增益放大噪声,产生一个输出较低的信噪比。这些光电二极管传感器可用于低级光学测量。

光电二极管阵列

光电二极管阵列只是一组单个二极管集成到一个单一的包。在结构方面,一个光电二极管阵列包含多个二极管提出了具体安排。类似于一个光电二极管阵列CCD或CMOS传感器;包含多个成像细胞在一维(线性光电二极管阵列)或二维(正方形或长方形的光电二极管阵列)安排。pin光电二极管阵列可用与pn,,提供更高的灵敏度低光级测量。

线性光电二极管阵列传感器

收集一个光电二极管传感器的输出

光电二极管的输出通常是连接到一个放大器;一个简单的例子是本文所示。在一些包,这是集成到光电二极管传感器本身。作为一个光电二极管通常是运行在反向偏压,它需要连接在系列电源提供所需的增益。甚至当这些组件运行在高转换速率(例如,在光纤通信),你不需要担心倒影,尽管你需要确保光电二极管输出电阻之间的阻抗匹配和放大器输入阻抗。这样做是为了确保最大功率传输到接收机。

工作的其他方面与光电二极管传感器构造一个载重线的设备,以确保在线性范围。(即根据负载阻抗。,放大器输入阻抗)和反向偏压,光电二极管的输出将成为非线性饱和时的输入光强实在太大了。

载重线和IV曲线为一个典型的光电二极管传感器。包含在这张图片的等效电路模型。多亏了格雷戈尔·赫斯为这个优秀的形象。

您可以使用一些简单的模拟构造的载重线光电二极管传感器使用上面所示的等效电路。只是一个标准二极管驱动在并行逆向偏压电流源(所谓的暗电流上图),并将第二光电二极管的电流源并联模型光电流的水平。最终,当光电流变得太大,目前的测量由于饱和输出端口将停止增加。这使您可以轻松地识别光电二极管传感器的线性范围,对于一个给定的负载阻抗。

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