一文詳解光電二極管的基本等效電路

本文介紹了一個電路模型，可幫助我們分析光電二極管的電氣行為。

等效電路可幫助我們了解和預測電子元件的實際功能。對于光電二極管，等效電路模型是必不可少的分析工具，因為簡單地將光電二極管符號插入原理圖并不能告訴您將產(chǎn)生的信號以及光電二極管與放大器電路相互作用的方式。

光電二極管的基本等效電路

并非所有光電二極管模型都完全相同，但有四個元素始終如一：電流源、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電阻器和串聯(lián)電阻器，以及由二極管符號表示的正常 pn 結(jié)。

光電流

理想的電流源（I PD）代表光電流，即二極管響應入射光而產(chǎn)生的電流。請注意，光電流的方向?qū)趶亩O管的陰極流向二極管的陽極的電流——這是一個很好的提醒，即光電二極管用于零偏壓或反向偏壓，它們產(chǎn)生的電流的流動方向與我們期望正常的正向偏置二極管。

如上一篇文章所述，我們使用響應度來量化入射光功率與光電流之間的關系。典型硅光電二極管的響應度范圍從 400 nm EMR 的每瓦特 （A/W） 約 0.08 安培 （A/W） 到 700 nm EMR 的 0.48 A/W。

結(jié)電容

并聯(lián)電容器 （C J ） 代表二極管的結(jié)電容，即與 pn 結(jié)的耗盡區(qū)相關的電容。結(jié)電容是一個重要參數(shù)，因為它強烈影響光電二極管的頻率響應。較低的結(jié)電容允許出色的高頻操作。

您可能會注意到其中 C J是可變電容器的光電二極管模型。雖然這種表示似乎不太常見，但這并不是一個壞主意，因為它提醒我們結(jié)電容取決于偏置電壓。我們可以通過增加反向偏置電壓來有意設計一個更高帶寬的光電二極管系統(tǒng)。

該圖取自OSI Optoelectronics出版的光電二極管特性和應用，顯示了通過在光電導模式下操作光電二極管可以大幅降低結(jié)電容。

并聯(lián)電阻

與光電二極管并聯(lián)的電阻稱為分流電阻 （R SH ）。與一般的電流源一樣，當 R SH為無窮大時，可實現(xiàn)理想操作。由于分流電阻無窮大（或在現(xiàn)實生活中非常高），電流源將其所有電流輸送到負載，電流電壓比完全由負載電阻決定。隨著分流電阻接近負載電阻的值，它開始對電流電壓比產(chǎn)生更明顯的影響。

對于許多光電二極管，分流電阻非常高，不會嚴重影響典型應用中的整體性能。對于硅光電二極管，R SH為數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千兆歐，砷化銦鎵也可以具有極高的分流電阻。但是，對于鍺，您需要更加小心，因為 R SH通常在千歐范圍內(nèi)，甚至可能在低千歐范圍內(nèi)。

分流電阻也會影響噪聲性能。隨著 R SH降低，光電二極管的約翰遜噪聲增加。

串聯(lián)電阻

光電二極管具有觸點、引線鍵合和產(chǎn)生串聯(lián)電阻 （R S ） 的半導體材料。該電阻往往非常低，如幾歐姆或幾十歐姆，但更高的值也是可能的。

據(jù)我所知，串聯(lián)電阻通常不是光電二極管系統(tǒng)設計中的主要問題。然而，過多的串聯(lián)電阻會降低線性度：通過 R S 的光電流會產(chǎn)生一個電壓降，該電壓降開始正向偏置在零偏置配置下工作的光電二極管（見下圖）。正向偏置二極管具有指數(shù)電流-電壓關系。因此，增加 R S兩端的電壓會降低到達負載的光電流，因為它會導致一些光電流通過二極管本身轉(zhuǎn)移到地，并且這種電流轉(zhuǎn)移以非線性方式發(fā)生。

回顧

當我們設計或分析基于光電二極管的檢測電路時，我們使用等效電路來幫助我們了解光電二極管功能中涉及的各種電氣參數(shù)。光電二極管等效電路的基本元件是光電流的電流源、代表 pn 結(jié)的二極管符號、與電流源并聯(lián)的電容器、與電流源并聯(lián)的電阻器以及與輸出串聯(lián)的電阻器當前的。
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