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选择用于红外光学的光电二极管传感器

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作者Cadence PCB解决方案

光电二极管传感器与三色灵敏度

三色光电二极管传感器

CCD阵列或CMOS传感器通常是光学系统中光传感器的默认选择。这些组件是相机中常见的组件，它们有着成功的历史。这些组件非常适合在可见光谱内外的宽波长范围内收集敏感的光谱测量。然而，如果您需要在单个波长或非常窄的波长范围内收集敏感测量数据，光电二极管传感器是更好的选择。

光电二极管可用于非常小众的成像应用，涉及单波长光栅扫描模式。然而，您生成的图像是否具有与CMOS/CCD捕获的图像相当的分辨率取决于系统中的光学设置。相反，光电二极管最好用于灵敏的强度测量。它们也有助于高速光纤通信。让我们来看看这些不同应用的光电二极管的布局挑战。

光电二极管传感器的类型

所有光电二极管传感器的工作原理与光伏电池类似:它们将光转化为电能。这种情况发生的方式取决于光电二极管是如何进入电路的。光电二极管工作在光伏模式(当运行在正向偏置时)和光电二极管模式(当运行在反向偏置时)。光电二极管运行在反向偏置，因为这提供了一个线性响应，响应范围可以相当大的输入光强度。

光电二极管被设计为在特定波长下工作，尽管波长范围可以相当宽(对于某些材料跨越微米)。光电二极管传感器的响应度取决于用于构建器件的材料及其内部掺杂剖面。一些常见的材料及其有用的波长是:

  • 如果:最适用于可见光和近红外波长。Si在1.1 eV处有间接带隙，因此吸收边缘在~1100 nm处。过饱和掺杂可能是将硅光电二极管吸收扩展到SMF波长的一种方法。

  • InGaAs:这种III-V材料提供~ 2600nm的传感。InGaAs光电二极管的灵敏度和低结电容(<1 nF)使其成为检测具有高数据速率的SMF波长(1310和1550 nm)的标准选择。非化学计量的In(1-x)GaxAs可用于构建可调谐光电二极管，其中可以通过在三元合金中使用更多的Ga来增加带隙。

  • 通用电气:这种材料比硅更贵，尽管它有更窄的直接带隙，并且敏感到~1600纳米。它具有比InGaAs光电二极管更低的分流电阻，从而产生更大的分流电阻约翰逊噪声在输出电流。因此，它不太适合用于SMF波长。

  • HgCdTe:这种材料提供了从~1到~14微米的极宽带检测。

  • 在:该材料提供更深的近红外区域(~3800 nm)的灵敏度。

  • 族化合物材料:这类材料是未来电子-光子集成电路(EPICs)的候选材料之一，尽管硅光子学正在取得许多进展。时间会告诉我们哪一类材料会成为最好的EPIC材料。

PN和PIN光电二极管

光电二极管传感器有p-n和p-i-n两种，这是指它们的内部结构和掺杂区域。与p-n二极管相比，使用p-i-n二极管提供了更大的耗尽区域;尽管对于特定的输出增益，这需要更大的输入电压，但这些传感器的量子效率可以高得多(达到80%至90%)。

虽然变容二极管具有p-n-n+结构，并且设计为反向偏置运行，但它们通常没有优化为具有高光敏性。然而，这种类型的结构也可以被想象地用作提供电压可调输出电容的光电二极管传感器。光电二极管结的电容非常重要，因为它决定了光电二极管的响应/恢复时间，然后决定了它可以感知光脉冲的最大速率，例如在光纤中。

雪崩光电二极管

与标准雪崩二极管类似，雪崩光电二极管被设计成在接近击穿阈值的高反向偏置电压下运行。这些光电二极管可以提供非常高的增益(达到105到106)，但高增益也会放大噪声，产生低信噪比的输出。这些光电二极管传感器是有用的低水平光学测量。

光电二极管阵列

一个光电二极管阵列只是一个单独的光电二极管阵列集成到一个单一的封装。在结构方面，光电二极管阵列仅包含以特定排列方式布置的多个光电二极管。光电二极管阵列类似于光电二极管阵列CCD或CMOS传感器；两者都包含以一维(线性光电二极管阵列)或二维(方形或矩形光电二极管阵列)排列的多个成像单元。光电二极管阵列可用于p-n, p-i-n和，它们为低光级测量提供更高的灵敏度。

线性光电二极管阵列传感器

线性光电二极管阵列传感器

收集光电二极管传感器的输出

光电二极管的输出通常连接到放大器;一个简单的例子是如本文所示．在一些封装中，这是集成到光电二极管传感器本身。由于光电二极管通常以反向偏置方式运行，因此需要与电源串联以提供所需的增益。即使这些元件以高开关速率运行(例如，在光纤通信中)，你也不需要担心反射，尽管你需要确保光电二极管输出电阻和放大器输入阻抗之间的阻抗匹配。这样做是为了确保最大功率传输打到接收器里。

使用光电二极管传感器的另一个方面是建造载重线对于设备，确保其在线性范围内运行。根据负载阻抗(即放大器输入阻抗)和反向偏置电压，当输入光强过高时，光电二极管输出将饱和并变成非线性。

电阻器的负载线和IV曲线

典型光电二极管传感器的负载线和IV曲线。这张图中包括等效电路模型。多亏了格雷戈尔·赫斯为了这张优秀的图片。

您可以使用一些简单的模拟来构造光电二极管传感器的负载线，使用上面所示的等效电路。简单地将一个标准二极管与一个电流源(上面所谓的暗电流)平行放置，并将第二个电流源与光电二极管平行放置，以模拟光电流电平。最终，当光电流过大时，输出端测量到的电流由于饱和而停止增加。这使您可以轻松识别给定负载阻抗的光电二极管传感器的线性范围和增益。

在设计电子系统以支持使用光电二极管传感器进行光学测量时，您需要正确的PCB布局和设计软件来创建PCB布局。Allegro PCB Designer凯蒂丝也吃饱了设计工具套件包括您需要的布局、模拟和MCAD工具，以确保您的下一个光学产品可以产生敏感的测量。

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