【FAQ】光电二极管（PD）_滨松光子学商贸(中国)有限公司

【FAQ】光电二极管（PD）

于杰（yujie@hamamatsu.com.cn）,李昆（lk@hamamatsu.com.cn），刘佳松（ljs@hamamatsu.com.cn)）

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本FAQ按照以下类别进行整理：
参数类：与PD的参数有关。包括灵敏度、线性，时间响应、电路参数和封装等；
使用类：使用中的问题和注意事项。包括安装、电路连接、焊接、清洁等；
其他类：不能被归类为上述类别的问题；
硅微条探测器；
光电二极管阵列。

# 参数类（灵敏度、线性，时间响应、电路参数，封装）
Q1. 同一型号的Si PD，灵敏度会有差异吗？
Q2. 温度对Si PD光谱响应度的影响？
Q3. Si PD在可见光波段灵敏度是否会受温度影响而明显变化？
Q4. 不同光强下，光灵敏度是否会变化？
Q5. Si PD灵敏度会随偏压改变吗？
Q6. 假设Si PD直径10 mm，入射光功率相同，光斑3 mm和5 mm输出光电流相同吗？
Q7. Si PD灵敏度会随时间改变吗？
Q8. Si PD除了光敏区外，是否都不感光？
Q9. 感光区以外的区域是否对光敏感？
Q10. 光入射到感光区以外的区域会有什么影响？
Q11. Si PD线性范围很大吗？
Q12. 什么是NEP？
Q13. 哪些因素影响Si PD的时间特性？
Q14. 响应速度与入射光波长之间有什么关系？
Q15. Si PD的截止频率如何测量？
Q16. 怎么计算Si PD等效电路中分流电阻（Rsh）？
Q17. Si PD等效模型中的串联电阻值有多大？
Q18. Si PD不同偏压下的分流电阻如何估算？
Q19. Si PD分流电阻随温度如何变化？
Q20. 多像元Si PD中每个像元是否会受到其他像元串扰影响？
Q21. 脉冲光峰值功率和平均功率的关系？
Q22. Si PD不同窗材类型不同封装下的折射率是多少？
Q23. 半导体元器件封装特点？

# 使用类（安装、电路连接、焊接、清洁）
Q25. Si PD使用时间能有多长？
Q26. 什么是MSL等级？
Q27. Si PD存放时间内受潮是否还能使用？如何判断是否有受过潮湿影响？
Q28. 如何判断两针脚和三针脚的Si PD的阴阳极？
Q29. 二极管的引脚示意图中，case和NC都代表什么意思？
Q30. Si PD光伏和光导工作模式如何选择？
Q31. 针对Si PD，是加反向偏压使用好还是不加偏压使用好？
Q32. 如果由于操作失误导致偏置电压正向加在Si PD上会有什么问题？
Q33. 如果反向偏置电压超过允许范围会有什么问题？
Q34. Si PD输出接运放相比直接接电阻有什么好处？
Q35. Si PD类输出的电流信号后续如何处理等（放大、I-V转换、采集等）？
Q36. Si PD支持无铅焊锡吗？
Q37. 在擦拭感光区域时，要说明的注意点？
Q38. 在焊接完光电传感器后，应该使用什么样的方法清洗光电传感器？
Q39. surface mount PD贴装时需要注意些什么？
Q40. surface mount PD除湿烘烤设备选择上有何建议？
# 其他类
Q41. 风雷达应用中多普勒频移是怎么回事？
# 硅微条探测器
Q42. 描述一下硅微条探测器的耗尽电压？new
Q43. 描AC读出型硅微条探测器偏置电压可以做到多大？耦合电容可以做到多大？new
# 光电二极管阵列
Q44. 带闪烁体和放大器的光电二极管阵列的两端的像素灵敏度似乎都很低，这是为什么？ new

# 参数类

Q1. 同一型号的Si PD，灵敏度会有差异吗？

实际情况下，灵敏度会有一定的离散性。以S2386系列为例，在400到900 nm区间内，离散性3σ的参考值约为5%。

Q2. 温度对Si PD光谱响应度的影响？

在波长短于灵敏度峰值波长的区域，光谱响应几乎不受温度影响；但是，在波长长于峰值敏感波长的区域，有一个正的温度系数。例如S1226和S1336，请参考:

Q3. Si PD在可见光波段灵敏度是否会受温度影响而明显变化？

正常工作温度范围内，Si PD在可见光波段的灵敏度基本不随温度而改变。以S1336/S1337为例，300 nm~900 nm波段温度系数变化百分比非常之小，可以认为基本没有影响。

Q4. 不同光强下，光灵敏度是否会变化？

在Si PD输出饱和前，光灵敏度不随光强变化。

Q5. Si PD灵敏度会随偏压改变吗？

不饱和的情况下，给定相同光强，通过改变Si PD的反向偏压值0至5 V，输出光电流不变，光灵敏度不随偏压变化。

Q6. 假设Si PD直径10 mm,入射光功率相同，光斑3 mm和5 mm输出光电流相同吗？

在二极管局部不饱和的情况下，同时光斑大小在二极管感光面80%以下，输出光电流和光斑大小无关。

Q7. Si PD灵敏度会随时间改变吗？

一般来说，在密封良好的探测器中，如金属封装，灵敏度基本不会随时间改变。

Q8. Si PD除了光敏区外，是否都不感光？

在与感光区域相邻的非感光区域也会因为接收到光子能量而产生比较微弱的光电流。

Q9. 感光区以外的区域是否对光敏感？

是的，感光区以外的区域（例如元件之间的带隙）对光是敏感的。这种灵敏度与有效感光区的灵敏度不一致。

Q10. 光入射到感光区以外的区域会有什么影响？

感光区以外的区域对光是敏感的，因此光照射到那里会产生噪声信号以及降低响应速度。

解决这一问题主要有以下方法：将光聚焦为一个面积较小的光斑以至于光不会入射到感光区以外的区域或者将感光区以外的光屏蔽。例如在芯片的感光区以外的区域制作一个铝制的光屏蔽薄膜或者是黑色的薄膜可以解决这一问题。

Q11. Si PD线性范围很大吗？

Si PD的光电流与入射光量呈很好的线性。当入射光量在10^-12 W~10^-2 W范围内，可以获得的线性度范围高于九个数量级（取决于Si PD类型和工作电路等）。线性度的下限由噪声等效功率（NEP）决定，而上限取决于负载电阻、反向电压等，如公式所示。

Q12. 什么是NEP？

NEP即噪声等效功率。表示探测器输出的信号等于噪声电流所需的入射光功率，可以用来衡量光电探测器接收弱信号能力。换句话说，就是信噪比等于1的光功率。这个值被用作最小可检测的入射功率。NEP越小，探测器的性能愈好。信号光功率小于噪声等效功率，则探测器信号输出小于噪声。这就意味着探测器将无法感知目标光信号。

Q13. 哪些因素影响Si PD的时间特性？

Si PD的响应时间主要由以下因素决定，如：CR时间常数，载流子扩散速率，以及耗尽层的载流子迁移时间等。另外相比于短波长的光，长波长的光的载流子扩散时间更长，因此光电二极管的响应更慢。下面的几种方法可以提高响应速度：

（1）选择具有极间电容更低的Si PD；
（2）减少负载电阻；
（3）通过反向电压降低极间电容。注意：增加反向电压会增加暗电流。

Q14. 响应速度与入射光波长之间有什么关系？

决定Si光电二极管响应速度其中的一个因素是"载流子扩散速度"。当探测长波长的光，它能穿透到硅光电二极管的深层，载流子扩散速度的影响变得十分明显，导致低的响应速度。但是，当探测短波长的光，响应速度受载流子扩散速度影响很小。

Q15. Si PD的截止频率如何测量？

通过正弦波调制LED信号，不断提高调制频率，截止频率是使输出信号功率降至最大值的-3 dB时的频率大小。。

Q16. 怎么计算Si PD等效电路中的分流电阻（Rsh）？

滨松Si PD的分流电阻通过在10 mv的电压下测量暗电流大小得到，计算公式如下： Rsh[Ω]=0.01[V]/I_D[A]。

Q17. Si PD等效模型中的串联电阻值有多大？

几欧姆的电阻。

Q18. Si PD不同偏压下的分流电阻如何估算？

可以根据：分流电阻=偏压/对应偏压暗电流来估算分流电阻。

Q19. Si PD分流电阻随温度如何变化？

可以根据：分流电阻=数据手册typical分流电阻大小/暗电流温度相关系数^温度变化大小，来对分流电阻的变化水平进行大致的估算。

Q20. 多像元Si PD中每个像元是否会受到其他像元串扰影响？

以S5870为例，在偏压10 V条件下，780 nm 20 um的光斑照射光敏面不同位置，在靠近中心分割线区域时，会有串扰增大的趋势，具体趋势如下图所示，在合理使用区域(比如以光敏面中心80%区域内)，可以认为串扰很小(小于1%)。

Q21. 脉冲光峰值功率和平均功率的关系？

Ppeak = Pavg/（freq*脉宽）其中，Ppeak代表峰值功率，Pavg代表平均功率，freq代表脉冲光频率。

Q22. Si PD不同窗材类型不同封装下的折射率是多少？

Si PD窗材的折射率由窗材本身决定，与封装形式无关。滨松光电二极管的不同窗材折射率整理如下：

窗材类型	封装类型	折射率（ n ）
硼硅玻璃	----	1.51
----	塑料封装	1.53
环氧树脂窗口	陶瓷封装	1.53
硅树脂窗口	陶瓷封装	1.53~1.56与波长相关

Q23. 半导体元器件封装特点？

电子元器件为了免受灰尘、水分、冲击、振动和化学物质等外界因素的干扰，保证元器件的正常工作，通常都要进行封装绝缘保护。电子封装根据材料组成主要有金属，陶瓷，塑料基底封装，以下是滨松常见的元器件产品：

封装类型	主要材料	优点	应用场景
金属	Cu、Al、Mo、W、W/Cu 和 Mo/Cu 合金等	较高的机械强度、散热性能优良等	可在高温、低温、高湿、强冲击等恶劣环境下使用
陶瓷	Al₂O₃、AIN、BeO 和莫来石	耐湿性好、机械强度高、热膨胀系数小和热导率高等	多用于有高可靠性需求和有空封结构要求的产品
塑料	酚醛类、聚酯类、环氧类和有机硅类	价格低、质量轻、绝缘性能好等	适用于消费电子类产品
玻璃树脂	层状玻璃纤维渗透环氧树脂，内部或表面镀有电线	低成本，可定制设计，大尺寸	适用于低成本，大批量的产品

（1）带BNC连接头：通过BNC-BNC连接线，便于同放大器或电流计直接连接；

（2）表面贴装类型：结构简单,适于各种大小、形状的元件，焊接于PCB电路板；

（3）耦合闪烁体：测量闪烁体产生的荧光，用于X射线无损检测；

（4）芯片尺寸封装：封装尺寸和芯片核心尺寸基本相同，实现高密度，小型化。

# 使用类

Q25. Si PD使用时间能有多长？

正常使用的条件下，Si PD的寿命基本可以认为非常长。然而，某些场景下可能使其受到的光、电、机械或热应力等超过规定的范围，因此限制其使用寿命。

以S5106为例，理论计算的MTTF如下：

Q26. 什么是MSL等级？

MSL是Moisture Sensitivity Level的缩写，是湿气敏感性等级的意思。

MSL是为了给湿度敏感性SMD元件的封装提供一种分类标准，从而使不同类型的元件能够得到正确的封装、储藏和处理，避免在装配或修理过程中出现事故。通常表面贴装型PD 在一般的环境下会吸收湿气，造成在过 SMT回流焊时，发生"爆米花"(POPCORN)的状况。湿气敏感性等级(Moisture Sensitivity Level，MSL) 被用来定义器件在吸湿及保存期限的等级，若超过保存期限，则无法保证不会因吸收太多湿气而在SMT回流焊时发生POPCORN现象。因此对于超过保存期限的器件要进行烘烤。

Q27. Si PD存放时间内受潮是否还能使用？如何判断是否有受过潮湿影响？

一般具有湿度敏感的Si PD产品，都会用防潮袋真空密封，内部放置干燥剂，防止受潮。如果打开包装后发现干燥剂变色，可能由于包装破损原因导致在规定存放时间内遭受湿气影响，影响性能，一般我们不能保证可以继续使用。是否受潮可以通过干燥剂颜色由蓝变红看出湿度变化，如下图：

Q28. 如何判断两针脚和三针脚的Si PD的阴阳极？

对于两针脚的Si PD,一般都会在其中一根针脚的位置留下一个记号，比如说S1133在阴极针脚旁边留下一个孔，S1337在阳极针脚旁边留下一个缺口，如下图所示：

此外，从手册实物图上也可以对应到记号点。

以三针脚的封装形式为例，对称两端的针脚为阴阳极，可通过金属片突起（①脚标识）的位置来判断，如下图所示，靠近金属片突起的为阴极。还有中间一根针脚为Case针脚，这个针脚一般接地或者空接，接地可辅助屏蔽电磁噪声。

这里引出一个问题：靠近金属片突起的针脚一定是阴极吗？并不是，如下图所示，以G10899系列为例，-003K类型靠近金属片突起的针脚为阴极；-02K类型靠近金属片突起的针脚为阳极；

正确的做法是，根据（①脚标识）的位置，并参照产品手册中的产品轮廓图来判断阴阳极针脚。

Q29. 二极管的引脚示意图中，case和NC都代表什么意思？

Case代表的是壳子，一般TO封装的器件外面都有金属壳包裹；NC代表此引脚不做连接。

Q30. Si PD光伏和光导工作模式如何选择？

一般来说，有偏压的光导模式会导致噪声上升，结电容降低，线性上限提升。因此时间响应更高，信噪比降低，承受光强上限提升，适合如高速探测应用，高光强应用上使用。

零偏的光伏模式下，器件的电流流动受到限制，形成一个电压，是太阳能电池的工作基础。特点是噪声低，暗电流小，但响应时间慢，光伏模式适合在微弱光检测中应用。

Q31. 针对Si PD，是加反向偏压使用好还是不加偏压使用好？

反向偏压情况下耗尽层宽度增加，结电容变小，响应度会相应提高，但是暗电流会变大；无偏压状态下暗电流能控制到很小，但是其余属性不如有反向偏压的情况。

Q32. 如果由于操作失误导致偏置电压正向加在Si PD上会有什么问题？

一般Si PD工作时可以加反向偏置电压。如果方向改为正向，由于一般二极管导通电压在0.7 V左右，超过这个数值，会产生很大的电流量，可能会导致Si PD失效。

Q33. 如果反向偏置电压超过允许范围会有什么问题？

一般不建议超出最大偏置电压使用，一旦超出最大允许范围，可能会导致反向击穿，产生比较大的电流导致器件损坏。

Q34. Si PD输出接运放相比直接接电阻有什么好处？

简单来说，相同转换系数条件下，采用运放电路主要有三个方面好处：
（1）可以使Si PD具有更高的线性度；
（2）更好的时间响应特性；
（3）提供一个缓冲输出。

Q35. Si PD类输出的电流信号后续如何处理等（放大、I-V转换、采集等）？

对于光功率的测量应用，Si PD类可直接通过皮安电流表读出电流；对于光通信领域，pin型的PD用于测量高速光信号，后端需要通过高带宽的跨阻放大器实现I/V转换并放大，最后通过示波器显示，或ADC采集。

Q36. Si 支持无铅焊锡吗？

滨松提供支持无铅焊锡的产品。焊接方法因产品不同而不同，如需要可以联系我们销售。

Q37. 在擦拭感光区域时，要说明的注意点？

在光入射窗口的玻璃和封闭树脂是很容易刮伤和损坏的。为了清洗它，利用蘸过酒精的棉签轻轻擦拭。因为棉签上的碎屑和异物，利用同样的棉签反复擦拭可能会导致窗口划伤。

Q38. 在焊接完光电传感器后，应该使用什么样的方法清洗光电传感器？

树脂经常被用来封装光电传感器（窗口固定以及树脂填充）。因此使用清洗溶剂可能会导致树脂膨胀或者融化，在一些情况下，溶剂会蔓延到包装里面。因此，需要使用免洗焊锡，在焊接完毕后不需要清洗。

Q39. surface mount PD贴装时需要注意些什么？

除了器件规格书要求注意的事项外，我们也提供一份额外的注意事项供参考（主要以规格书为准）。

Q40. surface mount PD除湿烘烤设备选择上有何建议？

根据经验，客户可以使用充氮气烤箱或者带除湿功能的烤箱（小于5%RH），具体问题可联系相关销售人员。

# 其他类

Q41. 风雷达应用中多普勒频移是怎么回事？

当观察者相对于光源没有相对运动时，他观察到的光频率就是光本身的频率；当观察者与光有相对运动时，那么他观察到的光频率可能发生变化，相向运动会发生蓝移；背向运动会发生红移。

# 微硅条探测器

Q42. 描述一下硅微条探测器的耗尽电压？

与同一基底材料制造的平面二极管相比，硅条探测器的耗尽电压是很大的。微条距为P，微条扩散宽度为W，P越大或者说是W/P越小，耗尽电压变得越大。

Q43. 描述AC读出型硅微条探测器偏置电压可以做到多大？耦合电容可以做到多大？

偏置电阻是由多晶硅制成的，可以在几百千欧到几十兆欧之间按照需求调节。（客户定制产品）
耦合电容由绝缘薄膜（耦合薄膜）决定，绝缘薄膜处于微条扩散层和铝读出电极之间。根据需求，可以在大约120 pF/mm²至180 pF/mm²（客户定制产品）之间调节，耦合膜的耐压越高，越难得到大的耦合电容。例如，耦合膜的耐压为100 V，耦合电容只有140 pF/mm²，或者更低。

# 光电二极管阵列

Q44. 带闪烁体和放大器的光电二极管阵列的两端的像素灵敏度似乎都很低，这是为什么？

闪烁体发射的光不仅进入那个像素，而且还扩散到临近的像素上，因为荧光片很厚（30 μm）。这意味着传感器中间的像素接收来自左右两边的光，但是传感器两边的像素只接受来自一边的光，因此输出低。为了解决这个问题，我们建议在获取数据后通过软件纠正输出。

# 相关工程师

针对以上内容，如您有任何问题，欢迎联系我们

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