PD（光電二極管）是一類應(yīng)用非常廣泛的光探測(cè)器件，作為PD市場(chǎng)的深度玩家，濱松具有上千種PD型號(hào)，不僅涵蓋了從紫外到近紅外直至太赫茲區(qū)域等寬廣的波長(zhǎng)范圍，而且金屬、陶瓷、塑料封裝到表面貼裝等各種封裝類型一應(yīng)俱全。

面對(duì)如此海量的PD型號(hào)，選型中就肯定繞不開(kāi)參數(shù)表——只有將各參數(shù)項(xiàng)吃透，了解數(shù)值代表的是哪個(gè)范疇的意義，才不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生誤判，從而選擇到最為合適目標(biāo)應(yīng)用的產(chǎn)品。

濱松PD從研發(fā)、生產(chǎn)，到檢驗(yàn)、組裝都由日本本部工廠完成，目前有上千種標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，且提供定制化服務(wù)。濱松PD不僅具有快速響應(yīng)、高靈敏、低噪聲等特性，而且批次間一致性之好在業(yè)界有口皆碑，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、分析、安全、計(jì)測(cè)、光通信以及消費(fèi)電子等中。

我們主要從濱松PD樣本中常見(jiàn)的參數(shù)項(xiàng)著手：

 濱松PD參數(shù)中的光靈敏度（單位：A/W）為光電流（單位：A）與特定波長(zhǎng)入射光輻射能通量（單位：W）的比值。

濱松的樣本中，一般都會(huì)包含一張光靈敏度（Photosensitivity）vs波長(zhǎng)（wavelength）的圖。而在參數(shù)表中，除了會(huì)給出光靈敏度最高的波長(zhǎng)（Peak sensitivity wavelength，見(jiàn)標(biāo)識(shí)②）之外，有時(shí)也會(huì)列出幾個(gè)特定波長(zhǎng)的光靈敏度供快速查詢（見(jiàn)標(biāo)識(shí)①）。

溫度也會(huì)對(duì)光靈敏度造成一定影響，一般說(shuō)來(lái)，在比光靈敏度峰值波長(zhǎng)長(zhǎng)的波段內(nèi)，溫度與光靈敏度正相關(guān)；而在比光靈敏度峰值波長(zhǎng)短的波段內(nèi)，光靈敏度則不隨溫度變化。

濱松PD的參數(shù)表中基本都會(huì)列出光譜響應(yīng)范圍（Spectral response range，見(jiàn)標(biāo)識(shí)②），其定義為光靈敏度高于最大值5%或10%的波長(zhǎng)范圍。

濱松PD參數(shù)中所給出的短路電流都是采用色溫為2856K鎢燈，照度（illuminance）100 lux時(shí)的值，所以參數(shù)表中會(huì)寫(xiě)作“Short circuit currentIsc 100 lx”（見(jiàn)標(biāo)識(shí)③）。在一些型號(hào)的樣本中，還會(huì)額外給出短路電流vs照度的曲線（Short circuit current linearity）以顯示其線性關(guān)系。

當(dāng)電路中加上了反向電壓（VR）時(shí)，會(huì)一直有電流通過(guò)PD，這個(gè)電流甚至在PD不感光時(shí)也依然存在，所以稱之為暗電流。暗電流是PD噪聲的三個(gè)主要來(lái)源之一（另外兩個(gè)中，一個(gè)是分流電阻Rsh所造成的熱噪聲，本文的相關(guān)章節(jié)會(huì)提到；一個(gè)是天生無(wú)法避免的來(lái)自信號(hào)本身的散粒噪聲shot noise，其原理可以類比后面馬上要解釋的暗電流帶來(lái)噪聲的原理）。但暗電流本身不是噪聲，暗電流的不確定性（其實(shí)就是來(lái)自暗電流的散粒噪聲）才是噪聲。

舉個(gè)具體的例子，假設(shè)暗電流為100pA，實(shí)際的暗電流則是會(huì)在100pA左右波動(dòng)，這一時(shí)刻可能是97pA，下一時(shí)刻又變成101pA，這個(gè)不確定性的絕對(duì)量隨著暗電流的變大會(huì)變大，所以暗電流越大，PD的噪聲就越大。

 暗電流的產(chǎn)生可以理解為來(lái)自PD內(nèi)部電子的熱運(yùn)動(dòng)，主要相關(guān)的參數(shù)有二：反向電壓（VR）和溫度。直觀地理解：

1）、反向電壓（VR）越強(qiáng)，PD中電場(chǎng)越強(qiáng)，熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的自由電子（載流子）就越可能被電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)成為電流，那么暗電流也就越強(qiáng)。相應(yīng)的，幾乎所有的濱松PD樣本中都會(huì)有一張圖（Dark current vs Reverse voltage）來(lái)標(biāo)明相應(yīng)型號(hào)中具體的情況，而參數(shù)表中也會(huì)給一個(gè)特定反向電壓下的暗電流數(shù)值作為最直觀的參考；

2）、溫度越高，PD中電子的熱運(yùn)動(dòng)越厲害，就可能由此產(chǎn)生更多的自由電子（載流子），故而暗電流也會(huì)更大。參數(shù)表中的Tcid（Temp. coefficient of ID，在一些樣本中，由于排版原因，被錯(cuò)誤地顯示成了“Temp coefficient of TCID”）就反應(yīng)了具體PD型號(hào)中溫度對(duì)于暗電流的影響程度，TCID越大，相應(yīng)型號(hào)PD的暗電流隨溫度變化越大。

PD的伏安曲線是非線性的，但是當(dāng)電壓在0V附近時(shí)，PD的伏安曲線近乎線性。濱松PD樣本中的分流電阻（Rsh，見(jiàn)標(biāo)識(shí)⑥）就定義為沒(méi)有光照且反向電壓（VR）為10mV的情況下，反向電壓與暗電流的比值。

分流電阻（Rsh）對(duì)應(yīng)的熱噪聲與分流電阻的二分之一次方成反比。這個(gè)噪聲在不加反向電壓的PD電路中是噪聲的主要來(lái)源（當(dāng)然，無(wú)論什么情況下，隨著信號(hào)越來(lái)越強(qiáng)，信號(hào)本身的散粒噪聲也會(huì)相應(yīng)增大，最終成為主要噪聲來(lái)源）。此外，在一些型號(hào)的樣本中，還給出了分流電阻vs溫度的曲線（shunt resistance temperature characteristics）。

信噪比為1時(shí)所對(duì)應(yīng)的光信號(hào)輻射能通量可以看作是PD的探測(cè)下限。因?yàn)樵胍襞c頻率的二分之一次方成正比，所以PD的探測(cè)下限不僅與探測(cè)波長(zhǎng)的光靈敏度（Photo sensitivity）相關(guān)，也與頻率相關(guān)。濱松樣本中所提供的噪聲等效功率NEP單位為W/Hz^0.5，為噪聲電流（單位：A/Hz^0.5）與光靈敏度S（單位：A/W）的比值。特別的，濱松樣本中的NEP均對(duì)應(yīng)于光靈敏度的峰值波長(zhǎng)（見(jiàn)標(biāo)識(shí)⑦）。

總的來(lái)說(shuō)，NEP越小，代表此型號(hào)PD的探測(cè)下限越低，也就越適合于弱光探測(cè)。當(dāng)需要計(jì)算頻率為f，波長(zhǎng)為a的情況下所能探測(cè)的最小輻射能通量時(shí)，我們需要先從樣本中查到光靈敏度峰值波長(zhǎng)的光靈敏度S（peak）以及a波長(zhǎng)的光靈敏度S（a），然后代入以下公式進(jìn)行計(jì)算。

⑧ 上升時(shí)間（tr,Rise time）

 在濱松的參數(shù)中，上升時(shí)間（tr）定義為信號(hào)強(qiáng)度從最終強(qiáng)度的10%上升到90%所用的時(shí)間。終端電容（Ct）下降，反向電壓（VR）上升和負(fù)載電阻（RL）下降均可以縮短上升時(shí)間（tr）并最終提升PD的響應(yīng)速度。

截止頻率（fc,Cutoff frequency）

⑨ 終端電容（Ct）& 結(jié)電容（Cj）

 由于耗盡層的存在，PD的PN結(jié)中會(huì)形成一個(gè)等效電容，稱作結(jié)電容（Cj）。濱松所給出的終端電容（Ct）是在沒(méi)有光信號(hào)時(shí)的PD總電容，包含了結(jié)電容（Cj）和封裝時(shí)所產(chǎn)生的寄生電容（package stray capacitance），是一個(gè)更加實(shí)用的數(shù)據(jù)。一般說(shuō)來(lái)，終端電容（Ct）越大，響應(yīng)速度越慢——通俗地理解，電容大了，充放電時(shí)間變長(zhǎng)，最終影響PD輸出信號(hào)的時(shí)效性。

反向電壓（VR,Reverse voltage）

對(duì)于PD中的PN結(jié)，從P端到N端的電場(chǎng)/電壓為正向的；反之為反向。電路中加到PD上的反向電壓有如下作用：

 1）、加一個(gè)反向電壓可以提升PD的時(shí)間相應(yīng)屬性，或者說(shuō)，從接收到光信號(hào)到輸出電信號(hào)的時(shí)間更短；

 2）、加一個(gè)反向電壓，能夠測(cè)更強(qiáng)的光（或者說(shuō)，提升線性范圍的上限）。通俗的解釋如下：PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)是個(gè)反向的，光一照，新增的載流子順著內(nèi)電場(chǎng)（對(duì)應(yīng)的就是接觸電勢(shì)差，Vbi）的方向運(yùn)動(dòng)，從整個(gè)PN結(jié)來(lái)看就有了一個(gè)正向的開(kāi)路電壓了（Voc）。但是開(kāi)路電壓的絕對(duì)值是不可能高于接觸電勢(shì)差的，因?yàn)楫?dāng)兩者一樣的時(shí)候，合起來(lái)電壓為0，再多的載流子，沒(méi)有了電壓也不會(huì)形成電流，從而無(wú)法進(jìn)一步增加開(kāi)路電壓了。在這種情況下，所能測(cè)得光照強(qiáng)度是有限的。但是如果外加一個(gè)反向電壓（VR），就相當(dāng)于把這個(gè)上限提升了，之后PD就可以對(duì)更強(qiáng)的光產(chǎn)生響應(yīng)而不會(huì)飽和；

 3）、反向電壓會(huì)帶來(lái)暗電流（ID），詳細(xì)分析見(jiàn)以上暗電流部分。

 需要注意的是，過(guò)大的反向電壓會(huì)導(dǎo)致?lián)舸?。PD能夠不被擊穿正常工作的最大電壓即為最大反向電壓（VR max）。

 在最基礎(chǔ)的一類光電二極管工作電路中（如下圖），負(fù)載電阻可以將光電流轉(zhuǎn)化為電壓便于測(cè)量。

同樣的光電流，負(fù)載電阻越大，轉(zhuǎn)化出的電壓越大（但無(wú)法超過(guò)反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)對(duì)應(yīng)電壓的和）。但是：

1）、負(fù)載電阻越大，檢測(cè)上限會(huì)越低（或者說(shuō)會(huì)減小線性范圍的上限）；

2）、負(fù)載電阻的大小會(huì)影響到PD對(duì)光信號(hào)的相應(yīng)速度，負(fù)載電阻越大，響應(yīng)越慢。

在實(shí)際情況中，PD的“響應(yīng)速度”和“探測(cè)下限”是經(jīng)常在咨詢中被提及，而它們之于上述的參數(shù)有著什么樣的關(guān)系呢？

響應(yīng)速度

響應(yīng)速度通常由上升時(shí)間（Rise time，tr）和截止頻率（Cutoff frequency, fc）進(jìn)行描述。影響響應(yīng)速度的三大要素為：

 1）、由終端電容（Ct）和負(fù)載電阻（RL）所決定的電路性質(zhì)；

2）、耗盡層外載流子的擴(kuò)散時(shí)間；

3）、載流子在耗盡層的渡越時(shí)間。

 相對(duì)于短波長(zhǎng)光，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光通常會(huì)激發(fā)較多耗盡層外的載流子，故而其擴(kuò)散時(shí)間延長(zhǎng)，響應(yīng)速度變慢。除此以外，以下三個(gè)手段是更常見(jiàn)的提升PD響應(yīng)速度的手段：

 1）、選擇較低終端電容（Ct）的光電二極管；

2）、減小電路中的負(fù)載電阻（RL）；

3）、通過(guò)加反向電壓（VR）也可以降低終端電容（Ct），最終得到更快的響應(yīng)速度。（注意，暗電流隨著反向電壓的增加而增加。）

參數(shù)關(guān)系圖

FAQ

探測(cè)下限通常由噪聲等效功率（NEP，noise equivalent power）進(jìn)行描述。探測(cè)下限主要由PD在對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的光靈敏度、光信號(hào)的頻率以及PD的噪聲特性共同決定。而PD的噪聲電流主要來(lái)自于三個(gè)方面：

1）、反向電壓（VR）所導(dǎo)致的暗電流（ID），VR越高，暗電流越大；

2）、分流電阻（Rsh）相關(guān)的熱噪聲：分流電阻越高，噪聲電流越低。在電路中不加反向電壓（VR）的情況下，這是最主要需要考慮的因素；

3）、光電流（信號(hào)）所產(chǎn)生的不可避免的散粒噪聲電流。

參數(shù)關(guān)系圖