光电二极管（Photo-Diode）工作原理 与输出电压计算
光电二极管（Photo-Diode）是由一个PN结组成的半导体器件，具有单方向导电特性。光电二极管是在反向电压作用之下工作的，在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
输出电压=输入光信号 ×响应度×50Ω负载
结光电二极管是一种基本器件，功能类似于普通的信号二极管，但在结半导体的耗尽区吸收光时，会产生光电流。光电二极管是一种快速、高线性度的器件，在应用中具有高量子效率，适合多种应用。
根据入射光确定期望的输出电流水平和响应度是有必要的。图1描绘了一个结光电二极管模型，它由基本的独立元件组成，这样便于直观地了解光电二极管的主要性质，更好地掌握Thorlabs光电二极管的工作过程。
图1: 光电二极管模型
光电二极管相关术语
响应度
光电二极管的响应度可以定义为给定波长下，产生的光电流(IPD)和入射光功率(P)之比：
工作模式(光导模式和光伏模式)
光电二极管有两种工作模式：光导模式(反向偏置)或光伏模式(零偏置)。工作模式的选择根据应用中速度和可接受暗电流大小(漏电流)而定。
光导模式
处于光导模式时，有一个外加的偏压，这是我们DET系列探测器的基础。电路中测得的电流代表器件接受到的光照; 测量的输出电流与输入光功率成正比。 外加偏压使得耗尽区的宽度增大，响应度增大，结电容变小，响应度趋向直线。 在这些条件下工作容易产生较大的暗电流，但可以选择光电二极管的材料以限制其大小。(注: 我们的DET器件都是反向偏置的，不能在正向偏压下工作。)
光伏模式
光伏模式下，光电二极管是零偏置的。器件的电流流动受到限制，形成一个电压。这种工作模式利用了光伏效应，它是太阳能电池的基础。当在光伏模式工作时，暗电流最小。
暗电流
暗电流是光电二极管有偏压时的漏电流。在光导模式工作时，容易出现更高的暗电流，并与温度直接相关。温度每增加 10 °C，暗电流几乎增加一倍，温度每增加 6 °C，分流电阻增大一倍。显然，应用更大的偏压会降低结电容，但也会增加当前暗电流的大小。
当前的暗电流也受光电二极管材料和有源区尺寸的影响。锗器件暗电流很大，硅器件的暗电流通常比锗器件的小。下表给出了几种光电二极管材料及它们相关的暗电流, 速度, 响应波段和价格。
| Material | Dark Current | Speed | Spectral Range | Cost |
|---|---|---|---|---|
| Silicon (Si) | Low | High Speed | Visible to NIR | Low |
| Germanium (Ge) | High | Low Speed | NIR | Low |
| Gallium Phosphide (GaP) | Low | High Speed | UV to Visible | Moderate |
| Indium Gallium Arsenide (InGaAs) | Low | High Speed | NIR | Moderate |
| Indium Arsenide Antimonide (InAsSb) | High | Low Speed | NIR to MIR | High |
| Extended Range Indium Gallium Arsenide (InGaAs) | High | High Speed | NIR | High |
| Mercury Cadmium Telluride (MCT, HgCdTe) | High | Low Speed | NIR to MIR | High |
结电容
结电容(Cj)是光电二极管的一个重要性质，对光电二极管的带宽和响应有很大影响。需要注意的是，结区面积大的二极管结体积也越大，也拥有较大的充电电容。在反向偏压应用中，结的耗尽区宽度增加，会有效地减小结电容，增大响应速度。
带宽和响应
负载电阻和光电二极管的电容共同限制带宽。要得到最佳的频率响应，一个50 Ω的终端需要使用一条50 Ω的同轴电缆。带宽(fBW)和上升时间响应(tr)可以近似用结电容(Cj)和负载电阻(Rload)表示：
噪声等效功率
噪声等效功率(NEP)是信噪比等于1时产生的RMS信号电压。它是非常有用的参数，因为NEP决定了探测器探测弱光的能力。一般而言，NEP随着探测器的有源区而增大，且可以用下式表示：
在这里，S/N是信噪比，Δf是噪声带宽，入射能量的单位是W/cm2
终端电阻
使用负载电阻将光电流转换为电压(VOUT)以便在示波器上显示：
根据光电二极管的类型，负载电阻影响其响应速度。为达到最大带宽，我们建议在同轴电缆的另一端使用50欧姆的终端电阻。其与电缆的本征阻抗相匹配，将会最小化谐振。如果带宽不重要，您可以增大负载电阻(Rload)，从而增大给定光功率下的光电压。终端不匹配时， 电缆的长度对响应影响很大，所以我们建议使电缆越短越好。
分流电阻
分流电阻代表零偏压下光电二极管的结电阻。理想的光电二极管分流电阻无限大，但实际值可能从十欧姆到几千兆欧不等，与其材料有关。例如，InGaAs探测器分流电阻在10兆欧姆量级，而Ge探测器的分流电阻在千欧量级。这会显著影响光电二极管的噪声电流。然而，在大部分应用中，大电阻几乎不产生效应，因而可以忽略。
串联电阻
串联电阻是半导体材料的电阻，这个小电阻通常可以忽略。串联电阻来自于光电二极管的触点和线接头，通常用来确定二极管在零偏压下的线性度。
通用工作电路
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图2：反向偏压电路(DET系列探测器)
DET系列探测器有上面所示的模块化电路。探测器反向偏置对输入光产生线性响应。光电流的大小与入射光大小以及波长有关，输出端加一个负载电阻就可以在示波器上显示。RC滤波电路的作用是滤掉输入电源的高频噪声，这些噪声会影响输出端的噪声。
图3：放大探测器电路
也可以用光电探测器加放大器来实现所需要的高增益。用户可以选择工作在光导模式和光伏模式。使用这个有源电路有几个优势：
- 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，于是增大了带宽降低了结电容。探测器的增益与反馈元件(Rf)有关。探测器的带宽可用下面的式子计算：
其中GBP是放大器增益带宽积，CD是结电容和放大器电容之和。
斩波频率的影响
光导体信号将保持不变，直到时间常数响应极限为止。许多探测器(包括PbS、PbSe、HgCdTe(MCT)和InAsSb探测器)具有1/f的典型噪声频谱(即，噪声随着斩波频率增大而减小)，这会对低频时的时间常数具有较大影响。
探测器在低斩波频率下会表现出较低响应度。频率响应和探测率对于下式最大化
