一文详解光电二极管的基本等效电路

本文介绍了一个电路模型，可帮助我们分析光电二极管的电气行为。

等效电路可帮助我们了解和预测电子元件的实际功能。对于光电二极管，等效电路模型是必不可少的分析工具，因为简单地将光电二极管符号插入原理图并不能告诉您将产生的信号以及光电二极管与放大器电路相互作用的方式。

光电二极管的基本等效电路

并非所有光电二极管模型都完全相同，但有四个元素始终如一：电流源、并联电容器、并联电阻器和串联电阻器，以及由二极管符号表示的正常 pn 结。

光电流

理想的电流源（I PD）代表光电流，即二极管响应入射光而产生的电流。请注意，光电流的方向对应于从二极管的阴极流向二极管的阳极的电流——这是一个很好的提醒，即光电二极管用于零偏压或反向偏压，它们产生的电流的流动方向与我们期望正常的正向偏置二极管。

如上一篇文章所述，我们使用响应度来量化入射光功率与光电流之间的关系。典型硅光电二极管的响应度范围从 400 nm EMR 的每瓦特 （A/W） 约 0.08 安培 （A/W） 到 700 nm EMR 的 0.48 A/W。

结电容

并联电容器 （C J ） 代表二极管的结电容，即与 pn 结的耗尽区相关的电容。结电容是一个重要参数，因为它强烈影响光电二极管的频率响应。较低的结电容允许出色的高频操作。

您可能会注意到其中 C J是可变电容器的光电二极管模型。虽然这种表示似乎不太常见，但这并不是一个坏主意，因为它提醒我们结电容取决于偏置电压。我们可以通过增加反向偏置电压来有意设计一个更高带宽的光电二极管系统。

该图取自OSI Optoelectronics出版的光电二极管特性和应用，显示了通过在光电导模式下操作光电二极管可以大幅降低结电容。

并联电阻

与光电二极管并联的电阻称为分流电阻 （R SH ）。与一般的电流源一样，当 R SH为无穷大时，可实现理想操作。由于分流电阻无穷大（或在现实生活中非常高），电流源将其所有电流输送到负载，电流电压比完全由负载电阻决定。随着分流电阻接近负载电阻的值，它开始对电流电压比产生更明显的影响。

对于许多光电二极管，分流电阻非常高，不会严重影响典型应用中的整体性能。对于硅光电二极管，R SH为数十、数百甚至数千兆欧，砷化铟镓也可以具有极高的分流电阻。但是，对于锗，您需要更加小心，因为 R SH通常在千欧范围内，甚至可能在低千欧范围内。

分流电阻也会影响噪声性能。随着 R SH降低，光电二极管的约翰逊噪声增加。

串联电阻

光电二极管具有触点、引线键合和产生串联电阻 （R S ） 的半导体材料。该电阻往往非常低，如几欧姆或几十欧姆，但更高的值也是可能的。

据我所知，串联电阻通常不是光电二极管系统设计中的主要问题。然而，过多的串联电阻会降低线性度：通过 R S 的光电流会产生一个电压降，该电压降开始正向偏置在零偏置配置下工作的光电二极管（见下图）。正向偏置二极管具有指数电流-电压关系。因此，增加 R S两端的电压会降低到达负载的光电流，因为它会导致一些光电流通过二极管本身转移到地，并且这种电流转移以非线性方式发生。

回顾

当我们设计或分析基于光电二极管的检测电路时，我们使用等效电路来帮助我们了解光电二极管功能中涉及的各种电气参数。光电二极管等效电路的基本元件是光电流的电流源、代表 pn 结的二极管符号、与电流源并联的电容器、与电流源并联的电阻器以及与输出串联的电阻器当前的。
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