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硬件开发者之路之——光电检测技术

热度 1已有 13485 次阅读| 2020-1-5 18:27 |个人分类:技术生涯|系统分类:硬件设计| 硬件开发, 光电, 二极管

光电检测技术在很多领域都有着非常广泛的应用，从简单的红外感应器到光纤通讯设备，以及我们日常拍照的手机里的图像传感器。无论是单个的接收管还是大规模的光电单元阵列，其基本原理都是光电效应中的光吸收。

至于光电效应，这就是中学课本的知识点了。简单来说就是原子的核外电子吸收了光子的能量后挣脱了原子核的束缚而跑出来，这个能量和频率有关，即E=hv，最小的能量值称作禁带宽度。

一、光电检测的概念与参数

1、响应度

光电效应产生的电子在电场的作用下移动即生成光电流，其电流大小与入射光的功率成比例Ip=RPin。R为检测器的响应度，单位A/W。

2、量子效率

能转换为光电流的光子数和入射光子总数比值为量子效率。可表示为：

3、响应带宽

带宽即响应时间，根本原因在于光生载流子通过吸收区的时间。但是吸收区的宽度又和响应度是正相关的，所以这二者是互相牵制的。与此相关的另一个参数即寄生电容。

4、暗电流

所谓的暗电流顾名思义就是无光照时的电流。这时虽然没有外部光子激发电子，但是半导体内部因为热效应或者杂散光等产生的载流子一样会形成电流，不过这个电流一般很小，大多nA以下。

上述是光电探测器的几个典型参数，但是不同的半导体对于光子的吸收是不一样的，除了我们最常见的如Si，Ge等，其他的新型材料也在不断出现以适用于不同的技术方案中。而对于新材料的探索可以说是目前传感检测领域最热门前沿的领域之一。

以PIN型光电二极管为例，可以看到半导体材料导致的参数差异。

二、检测器的几种类型

1、 PN型光电检测器

PN型光电二极管是最简单的检测单元，只需要一个PN结。外加反向偏置电压后即形成光导型探测器（无偏置电压为光伏型探测器）。

入射光大部分在耗尽区被吸收，产生的载流子在电场下向左右移动形成电流。响应速度受偏置电压和半导体掺杂浓度影响。一般而言RC时间常数为数百皮秒，因此可以工作在1GHz带宽以下。不同的设计导致的带宽差异很大。

2、 PIN型光电检测器

PIN型光电二极管是为了进一步提高响应速度而出现的。因为在PN型二极管中，在P和N区产生的载流子需要扩散到耗尽区边缘，而扩散运动的速度比较慢，导致限制了响应速度的进一步提高。因此可以考虑增大耗尽区宽度。

PN之间插入的一层为非掺杂的或者轻掺杂的半导体，接近本征半导体。因此成为PIN型。中间层属于高阻抗区，因此存在较强电场，通过控制耗尽层W的宽度调节响应速度。但是过宽依然会导致载流子通过时间过长，需要平衡，典型值为20~50um。但是采用InGaAs材料则可以缩小至3~5um，大大提高探测带宽。目前用于通信领域的PIN管带宽可以做到百G以上，在波分设备中广泛应用。

3、 APD型光电检测器

雪崩型检测二极管利用的是碰撞电离的雪崩效应，其过程可类比核弹。

P+和N+为重掺杂的半导体材料，I为近似本征半导体的材料。在反向高压偏置时，入射光产生的载流子会在强电场中加速，出现碰撞电离，即倍增效应。

但是倍增过程中的不稳定性会产生倍增噪声，因此需要在速度和噪声之间权衡。

4、 PMT检测器

光电倍增管是检测领域应用最多的器件之一，其基本原理类似APD，只是增益更大，常用于极微弱光信号探测。

内部利用高压分压产生的多段电场区进行多级加速倍增。

5、图像传感器

图像传感器是光电检测单元的阵列，并且包含一系列的处理电路。

图像传感器的结构主要有两种，其基本差异为像素单元的电荷读取方式不同。

CCD型：直接读取

CMOS型：转换后读取

二者的特点对比如下，CCD的最大特点在于精度高，因此在工业视觉上应用较多，不过随着CMOS工艺的不断进步，越来越多的CMOS型图像传感器被广泛应用也是必然趋势。

三、检测电路的设计

光电检测电路的设计并不复杂，电路模型为：

通用的检测前端设计：

光伏模式：由于运算放大器A点电势和B点电势相等，因而光电二极管两端的电势差为零伏。这样最小化了暗电流的可能。

光导模式：二极管反向偏置，耗尽区增大，于是增大了带宽。

检测带宽为：

其中GBP为前级运放的增益带宽积。

该检测电路可以从DC和AC特性两方面考虑。

1、 DC直流特性

直流特性主要体现为测量误差，误差的来源一个为上述的暗电流参数，另外一个就是前级运放的失调参数。在实际应用中对于绝对误差精度要求不高，影响一般不大。

2、 AC交流特性

交流特性包括瞬态和交流信号的响应，二者也可以说是同一特征。以及噪声特性。

（1）补偿与稳定性

在上述的介绍中我们已经知道影响交流特性的主要因素即二极管的寄生电容，而对于检测电路而言还包括检测部分的寄生参数。

Ci为等效输入电容，增加的Cf产生的零点补偿Ci产生的极点。实际应用时也不用计算太多，注意二极管的寄生电容参数即可。但是在高增益的设计中，电路部分的寄生电容会限制带宽，需要特别注意。

（2）噪声特性

对于应用设计而言，光电探测器本身的噪声水平可以通过选型来评估。而对前端检测电路，涉及的噪声来源就包括的外界干扰，PCB设计问题，运放和其他器件噪声等。对于噪声的处理有几点：

限制带宽：通过电容Cf的作用限制高频噪声，这在低频检测时很有效，但是会影响瞬态响应的速度。

复合放大器降噪：反馈回路中增加放大器通过积分作用减小噪声。实际上应用很少，一般采用后级滤波设计。

相位补偿降噪：这种方式其实也是增加低通滤波器，Cc即用来补偿额外增加的极点。

对于图像传感器的应用大多数属于数字电路直接读取，但是也有一些输出模拟信号的应用，需要理解应用原理，严格按照时序采集。

四、设计与应用总结

光电探测的原理简单，但应用多样，在极微弱信号和高频检测应用设计上需要综合考虑的点还是非常多的。

1、减小信号链路噪声

对于采集链路而言，无论是电源的滤波和去耦设计，还是器件布局，或者PCB设计都需要按照设计规范考虑，尽量减小设计带来的干扰。包括合适的器件选型等等。如下图对于板上漏电流的设计考虑，可增加保护环。

2、减小外部干扰

外部的干扰包括静电，辐射等，这需要在整体布局上充分考虑，避开干扰源，设计滤波器。甚至可以考虑增加屏蔽盒，采用同轴线缆等方式。

3、系统思考问题

在整体应用设计中尤其要注意系统思考问题，因为检测器是作用于立足某一应用场景的整机设备。无论是上述说的外部辐射干扰，还是结构的稳定性或密封性，以及常见的温湿度等物理因素，都会对最终结果造成恶劣影响。一个非常明显的例子就是对于一些需要低温控制的探测器，散热或者环境温度不稳定时，检测结果往往让人摸不着头脑，无所适从。因此，作为硬件工程师更需要具有系统性考虑问题和解决问题的能力，而不仅仅是局限于单板以内。

总之，无论是光还是电，都是我们要处理的Signal。