光电二极管电荷灵敏前置放大器设计.docx

光电二极管电荷灵敏前置放大器设计.摘 要本论文论述了将电荷灵敏放大器作为硅PIN光电二极管的前置放大电路，实现光电二极管的电荷信号转换为电压信号，并具备电压信号放大功能，以满足低偏置电流、低噪声和高增益的要求，能够探测微弱光信号。文中设计的电荷灵敏前置放大器采用低噪声场效应晶体管和电流型集成运算放大器构成，其等效输入噪声22keV。该电荷灵敏前置放大电路结构简单、体积小、输出信号上升时间快、噪声低、稳定性好.关键词：硅PIN光电二极管.电荷灵敏放大器.微弱光信号检测。 Photoelectric diode sensitive charge preamplifier designed.This paper discusses the sensitive charge amplifier as will the preamplifier circuit of photoelectric diode, photoelectric diode charge signals are converted to voltage signal, and voltage signal amplifier functions, in order to meet the low offset currents, low noise and high gain requirement, and can detect weak light signals. This paper designs the sensitive charge preamplifier with low noise field effect transistors and the current model integrated operational amplifier, the equivalent input noise than 2.2 keV. This sensitive charge preamplifier circuit is simple in structure, small volume, the output signal is rising fast time, low noise, good stability.Keywords: silicon photoelectric diode. PIN sensitive charge amplifier. Faint light signal detection。目 录摘 要1目 录2第一章前言31.1选题依据和意义31.2国内外研究现状41.3主要研究内容5第二章 基本理论及系统原理52.1光电二极管工作原理52.1.1基本原理52.1.2光电导效应62.1.3光伏效应62.1.4光电二极管结构及工作原理62.2光电二极管的噪声82.2.1热噪声82.2.2散粒噪声92.2.3产生复合噪声92.2.4 1/f噪声92.3光电二极管基本特性和主要参数102.3.1电压电流特性102.3.2光照灵敏度112.3.3光谱响应112.3.4结电容122.4 硅光电二极管132.4.1硅光电二极管的基本结构及其等效电路132.4.2硅PIN光电二极管的原理和特性142.4.3影响硅光电二极管输出信噪比的因素162.5前置放大器172.5. 1前置放大器的作用172.5.2前置放大器的种类：172.6电荷灵敏放大器182.6.1电荷灵敏放大器的原理182.6.2电荷灵敏前置放大器的噪声19第三章系统设计及方案选择203.1光电二极管前置放大设计的基本原则203.2配合硅半导体探测器的电荷灵敏前置放大器的设计原则213.3系统方案选择223.3.1光电二极管的选择233.3.2电荷灵敏放大器的选择24第四章放大电路设计274.1放大电路设计274.2系统主要性能284.3工艺设计294.4噪声294.5使用温度304.6关于交流耦合30结论30致谢31参考文献32第一章前言1.1选题依据和意义光电二极管是一种能够将将光信号转换成电信号PN结型半导体元件，因此广泛用于各种遥控系统、光电开关、光探测器，以及以光电转换的各种自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制、激光接收等方面。在机电一体化时代，它成为必不可少的元件。在核物理中，对放射性粒子的测量十分重要，对射线粒子所携带的信息进行测量和分析研究，有助于对原子核内部特征和规律进行研究，也有利于原子核科学技术的应用。因此，用于探测此类射线的传感器及其电子学系统在核电子学中具有举足轻重的地位，尤其是光电二极管。光电二极管种类很多.按面积可分为两类:具高电容（30PF至3000PF）的大面积光电二极管和具相对较低电容(10PF或更小)的较小面积光电二极管.按用途分类 ：可以分为硅PIN光电二极管、整流用二极管 、变容二极管 、稳压二极管 、快速关断二极管 、肖特基二极管.发光二极管等。其中，硅PIN光电二极管由于响应快、灵敏度高、性能稳定、测量线性好、噪声低而被广泛用于光电检测电路中。质量好的硅PIN光电二极管用于激光功率测量时，测量下限可达1 x 10- 8 W，分辨率可达1x10-12W. 因此，硅PIN光电二极管在半导体探测器和闪烁探测器方面应用广泛。由于半导体探测器的输出讯号的幅度是由入射粒子通过灵敏层时释放的电荷量决定的。这个讯号时相当微弱的，为了精确分析粒子能量，就需要有高线性，低噪声的放大器与其配合。但是应当指出，由于半导体探测器的结电容是随着外加偏压而改变，因此在不同的偏压下，对同样能量损耗下的入射粒子来说就给出不同幅度的电压脉冲，这就影响了能量的准确性。故一般在能量分析时，要采用电荷灵敏前置放大器与探测器相配合，同时随着核仪器向便携式、智能化、集成化等高性能的发展，分立元件组成的放大器，由于其元件多、体积大、不易调试等缺点，已不适应仪器的发展趋势，集成运算放大器已越来越被各种放大电路所采用.采用集成运算放大器的电荷灵敏放大器在许多核仪器中逐渐应用。所以光电二极管电荷灵敏放大器的研究具有重要意义。 1.2国内外研究现状20世纪80年代，随着大灵敏度和大面积硅光电二极管问世，国内外开始光电二极管在核辐射探测领域的试探性研究，并估计其在辐射探测领域的应用前景。在国内，中科院高能所雷传衡老师率先将西门子公司的BPW-34型硅PIN光电二极管用于袖珍式Y、中子剂量率监测中。此时，国外己经提出采用CsI晶体与硅光电二极管构成闪烁探测器来探测X射线.进入20世纪90年代，国内外硅PIN光电二极管在闪烁探测器方而展开了广泛的研究，并取得了丰硕的成果，近来，国内外都将光电二极管与前置放大电路封装一起构成探测装置，提供给用户.且测量信息由单纯的计数测量扩展到能量、时间等方而;探测的目标对象范围扩展到:高能电磁辐射、粒子、介子、中微子等其他高能粒子。目前在光电二极管和电荷灵敏前置放大器方面国内的主要研究成果有：中国辐射防护研究院, 设计了以集成运算放大器为主要器件的, 用于化合物半导体探测器的电荷灵敏前置放大器 .清华大学工程物理系设计的低噪声CMOS 电荷灵敏前置放大器，比传统 12 范志刚. 光电测试技术. 电子工业出版社，200813 周惠潮，孙晓峰. 常用电子器件及典型应用. 电子工业出版社, 200714Radeka V,Recia S,Manfred PF.JFET monolithic preamplifier with outstanding noiseJ.IEEE Trans on Nuclear Science,1993,40(4):744-749.15Christian M,Huang Qiuting.A low-noise CMOS instru mentation amplifier for thermoelectric infrared detectorsJ.IEEE JSSC,1997,32(7):968-976.16Hu Y,Solere J L,Lachatre D.Design and performance of a low-noise,low-power consumption CMOS charge amplifier for capacitive detectorsJ.IEEE Trans on Nuclear Science,1998,45(1):119-123.17Binkley D M,Puchett B S.A power-efficient,low-noise,wideband,integrated CMOS preamplifier for LSO/APDPET systemsJ.IEEE Trans on Nuclear Science,2000,47(3):810-817.18Chang Z,Sansen W M.Low-noise,low distortion CMOS AM wide-band amplifiers matching a capacitive sourceJ.IEEE JSSC,1990,25(6):833-840.的电荷灵敏前放的电路密度至少提高了3个数量级2。中国科学院则设计了一种多路电荷灵敏前置放人器，其路数最多为8路，它有功耗低，体积小，价格低廉，使用方便等特点3 1.3主要研究内容本文主要是根据光电二极管发展现状，采用电荷灵敏放大器作为硅PIN光电二极管前置放大电路。第二章介绍系统设计的基本理论及原理；第三章主要介绍整个系统的各个部分的方案选择；第四章是整个放大电路的系统设计，前半部分介绍系统完整的硬件电路图及其相关元件参数选择，后半部分介绍各模块软件设计，包括软件流程图和关键代码；第五章仪器的性能测试及遇到的问题和解决思路；第六章全文总结和展望；最后是致谢和参考文献。第二章 基本理论及系统原理2.1光电二极管工作原理2.1.1基本原理4光电二极管是一种PN结型半导体元件，当光照射到PN结上时，半导体内电子受到激发，产生电子空穴对,在电场作用下产生电势，将光信号转换成电信号。工作模式：光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，2.1.2光电导效应5 半导体光电器件利用“内光电效应”工作，与外光电效应材料的逸出功相似，半导体材料吸收了入射光子能量，只有当光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度时，才会将材料内部的电子从低能态激发到高能态，并在低能态位置产生空穴，高能态位置产生一个自由电子。这样产生一个电子一空穴对，从而改变材料的电导，该效应称为“光电导效应”。光电导效应为半导体材料的体效应。2.1.3光伏效应6光伏效应需要有内部电势垒，这个内部势垒可以是PN结、PIN势垒结等，其中PN结是最简单、最基础的。当光照在PN结上，若入射光的光子能量大于禁带宽度，波长与禁带宽度满足如下关系:（nm）1240/E （2-1） 价带电子接受了光子的能量，将激发到导带，产生“非平衡电子一空穴对”。在小信号情况下，在N型表面中产生的电子空穴对，由于热运动，光生少子一空穴发生扩散，一旦扩散到势垒区就会受到内电场的作用而扫向P区一边。在势垒区中，光激发的电子空穴对，将在内电场的作用下分别向两边运动，空穴向P区，电子向N区。同样，光入射到P区产生的电子空穴对，也将发生扩散运动而光生少子电子一旦扩散到势垒区中，就被内电场扫向N区一边。也就是说由于内电场的存在，光生电子将向N区一边集中，光生空穴将向P区一边集中若光不断地照射，光生电子空穴对不断地产生，在内电场的作用下，光生电子空穴对不断地向PN结两边集中，其结果是P区一边因空穴积累而带正电，N区一边因电子积累而带负电。当入射光激发出电子一空穴对时，电势垒的内建电场将电子和空穴分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，该现象即为“光伏效应”。2.1.4光电二极管结构及工作原理 光电二极管结构：光电二极管与普通半导体二极管一样，都具有一个PN结，引出两根电极引线，都是非线性器件，具有单向导电性能。但是，由于光电二极管是光敏器件，因此，在外形和结构方面有它自己的特点. 首先，光电二极管的管壳上有一个能透射光线的窗口(受光面)，以便光通过窗口而照射在管芯上。 其次，在管芯方面，光电二极管的PN结面积做得较大，电极面积则作得较小，这样可以增加受光面积。P结的结深作得较浅(小于100nm，以提高光电转换效率。P区嵌入到N区，且被N去环抱，形成保护环，减小器件表面漏电流.为提高器件性能的稳定性，Si光电二极管都采用硅平面工艺来制作，管芯表面生长一层二氧化硅层，该层起到保护和增加入射光的透射率作用。光电二极管的工作原理：光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管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。图2-1光电二极管工作原理 光电二极管等效为一普通二极管与一恒流源的并联。它的工作模式由外偏压有关，零偏时为光伏工作模式，采用反偏时为“光导工作模式”。光电二极管主要在光导模式下工作，即无光入射是器件两端开路，阻值恒为无穷大;有光入射产生电流，等效于器件阻抗发生变化。2.2光电二极管的噪声7 微弱光电信号检测的光电流一般为nA至UA级.探测器SPICE模型见图1.由图1可见，该模型由一个被辐射光激发的电流源、二极管、结电容和寄生的串联及并联电阻组成.结电容C是由光电二极管的P型和N型材料之间的耗尽层宽度产生的，耗尽层窄，结电容的值大；相反，较宽的耗尽层表现出较宽的频谱响应；硅二极管结电容的数值范围为3 pF到几千pF.漏电阻RD，与光电二极管零偏或正偏有关，在室温下，该电阻可超过100 M ,是主要的噪声源，即图1中的e; RD产生的噪声称为热噪声和散粒噪声电流，1P为光电流，IS为散粒噪声电流，与光电流、暗电流和背景电流有关、R为体电阻，为10至1 000 此电阻很小，仅对电路的频率有影响.光电二极管的主要噪声是热噪声和散粒噪声.图2-2光电二极管SPICE模型2.2.1热噪声7由于半导体中载流子无规则的热运动而引起电流或电压的随机起伏称为热噪声，属于白噪声。热噪声的均方根电流.2In或电压u2n与温度间联系可以表示为: （2-2）式中，k:玻尔兹曼常数; T:绝对温度，K; R:光电二极管等效电阻阻值; 4f:所取的通带宽度(频率范围)。 载流子的热运动速度与温度相关，因此温度升高则热噪声的功率也增加。降低温度和通带，可减少噪声功率。2.2.2散粒噪声 由于放射性衰变、闪烁体受激发光、闪烁光子转化为电信号等过程都是完全独立随机的事件。由这种随机起伏形成的噪声称为“散粒噪声”。散粒噪声也属白噪声。散粒噪声的均方电流.2L表示为: （2-3）式中，q:单个电子电荷; I:光电器件输出平均电流。2.2.3产生复合噪声 在半导体光电器件受到光照射时，产生电子一空穴对。电子和空穴在运动中，又存在复合过程。在某一瞬间载流子产生和复合过程本身随机的。不仅有载流子产生的起伏，而且还有载流子复合的起伏，这样就使起伏加倍，虽然本质也是散粒噪声，但为强调产生和复合两个因素，取名为产生复合散粒噪声，简称为“产生复合噪声”。该噪声电流均方值为:I=2Q NI （2-4）式中，I:总的平均电流;N:自由载流子数;f:测量噪声的频率。2.2.4 1/f噪声 这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在，当电流流过时在微粒间发生微火花放电而引起的微电爆脉冲。几乎在所有探测器中都存在这种噪声。它主要出现在大约1 KHz以下的低频频域，而且与光辐射的调制频率f成反比，故称为低频噪声或1 /f噪声。实验发现，探测器表而的工艺状态(缺陷或不均匀等)对这种噪声的影响很大。通常说来，只要限制低频端的调制频率不低于1 kHz，这种噪声在测量中的是可以防止的4 5 综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用图3-3表示。在频率低时，1 /f噪声起主导作用;中间频率，产生复合噪声较显著;频率较高时，白噪声占主导地位。实际中，探测器的结构与机理不同，上述各种噪声的作用大小亦不同。并应根据信号频率，采取合适的降噪措施25图2-3光电二极管噪声功率谱分布图2.3光电二极管基本特性和主要参数8由于光电二极管的种类繁多，根据实际情况需要，在满足各种光电二极管的共同特征的基础上制定了一套性能参数。性能参数为人们评价器件性能，比较之间差异，从而达到根据需要合理选择和正确使用光电二极管提供了方便。主要包括以下：2.3.1电压电流特性光电二极管的电压电流特性在无光照时，它的特性与一般二极管一样。受光后，它的特性曲线沿电流轴向下平移，平移的幅度与光照强度成正比例。特性曲线在第三象限时，表达了管子在加有反向电压并受光照时的反向特性。此特性表明： WN#dwBA a反向电流随入射光照度的增加而增大，在一定的反向电压范围内，反向电流的大小几乎与反向电压高低无关。b在入射照度一定时，光电二极管相当于一个恒流源，其输出电压随负载电阻增大而升高。如果R1R2，则输出电压URlUc，其中URl=UcUl，UR2=UcU2。特性曲线在第四象限时，它呈光电池特性，光照强度越大，负载电阻越小，电流越大。即R1R2时，则I2I1.2.3.2光照灵敏度光照灵敏度，也称作响应度，是用来表征光电二极管将入射光信号转换为电信号能力的一个参数22。因受光照，光电二极管的产生或增加的电流称为光电流。光电流的大小为微安级或毫安级，十分微弱。当光电器件上的电压一定时，光电流与入射于光电器件上的光功率(光通量)的关系I - f p称为“光电特性”，光电流与光电器件上光照度的关系称为“光照特性”。响应度R定义为这个曲线的斜率，即式中RI和RN分别为电流和电压响应度，L和u均为电表测量的电流、电压有效值。光功率P表示某一光谱范围内的总功率21。一般情况下，硅光电二极管对可见光(波长380= 780nm)的响应约在0.2=O.SA/W范围内2G 光照灵敏度的线性度是光电转换器件的重要参数。线性度是指探测器的输出光电流与输入光的功率(通量)成比例的程度和范围。线性下限往往由暗电流和噪声等因素决定，而上限通常由饱和效应或过载决定。线性范围与其工作状态如偏压、调制频率、输出电路等有关。故需确定最佳工作状态。2.3.3光谱响应 光电二极管对功率相同而波长不同的入射光的响应不同，即产生的光电流不同27。光电流或输出电压与入射光波长的关系称为“光谱特性，。光谱特性决定于光电器件的材料。以光谱灵敏度的最大值为100，用百分比(%)来表示的称为相对“光谱响应”。并将响应率下降到峰值的10%处所对应的波长定义为“截卜波长”。由半导体物理可知，只有当光子能量大于半导体材料的禁带宽度才能产生光电效应。对于不同的半导体材料，均存在着相应的“上限波长”(亦称为光电二极管的截卜波长)。只有入射光的波长小于上限波长时，光电二极管才能产生光电效应。常温下硅材料的禁带宽度为1.12eV，所以其长波限为(1.24 / 1.12)um，约为1100nm.在短波方向，由于短波长光的吸收系数很大，大部分短波长入射光在器件的表而区域就被吸收掉，而这一区域内电子一空穴对有很高的复合率，还没有来得及被PN结收集己复合掉了，因此产生了“短波限”问题。图3-4为硅材料光电转换器件的光谱特性曲线，光谱响应范围从短波限400nm到1100nm之间，响应峰位在860nm处。实际应用中，由于材料和工艺的差别，硅光电二极管的光谱响应曲线与此曲线存在一定差别2829图2-4硅材料的光谱响应曲线在选择光电二极管的时候，应尽量使所选的探测器件的光谱响应特性与光源能的发光光谱分布匹配，使得入射光功率不变的情况下，输出的电信号尽可能大. 2.3.4结电容结电容取决于P层的面积和耗尽层的厚度，可以近似的用平行板电容公式表达:式中，K为常数，S为P层的面积，d为耗尽层的厚度。当工层被全部耗尽时(P工N)型，电容最小。商品光电二极管的运行电压值的运行电压值一般为全耗尽电压，运行在这个电压下具有最小的电容和较低的串联阻抗，能改善响应速度和减小噪声。2.4 硅光电二极管2.4.1硅光电二极管的基本结构及其等效电路9 光电二极管是一种光电转换器件，其基本原理是当光照射在PN结上时，被吸收的光能转变为电能，这是一个吸收过程，与发光二极管的自发辐射和激光二极管的受激辐射过程相逆。PN型硅光电二极管是最基本和应用最广的，它是在n型硅单品片的上表面扩散P型杂质，形成h型扩散层，形成一个PN结。h区是透明的，光了可以通过h区到达PN结区产生光电了，在n型硅单品下表面扩散n型杂质以形成高浓度的n扩散区，以便给金属电极提供良好的电接触。另一种常用的硅光电二极管是pin型硅光电二极管，其结构与PN型类似，位于h层和n层之间的耗尽层由本征半导体构成，可以提供一个较大的耗尽深度和较小的电容，适合于反向偏压下工作。硅光电二极管的等效电路如图1所示，图中I*为电流源，它是硅光电二极管接受辐射后所产生的光电流I。和暗电流Id以及噪声电流I之和，即IA=IP+IS+ID 质量好的光电二极管，其噪声电流很小，可以忽略。暗电流是温度的函数，在室温下，温度每增高1倍，暗电流将提高n倍。暗电流引起的噪声将影响到硅光电二极管的探测灵敏度。同时暗电流也同硅光电二极管应用时所加偏压有关，偏压越高，暗电流越大;结面积越大，暗电流越大。图1中，R是串联电阻，由接触电阻、未耗尽层材料的体电阻所组成;C是结电容，RS ,Ca的大小同器件尺寸、结构和偏压有关，偏压越大，RS ,C越小;R是硅光电二极管的并联电阻，由耗尽层电阻和漏电阻所构成。它也随温度的变化而变化，与器件尺寸有关。结面积越小，R越大。温度越高，R越小;D为PN结等效二极管，R为负载电阻，Ci为负载电容。图2-5硅光电二极管的等效电路 2.4.2硅PIN光电二极管的原理和特性(1)工作原理 硅PIN光电二极管的结构和它在反向偏压下的电场分布如图。在高掺杂P型和N型半导体之间生长一层本征半导体材料或低掺杂半导体材料，称为I层在半导体PN结中，掺杂浓度和耗尽层层宽度关系:式中:Dp和DN分别为P区和N区的掺杂浓度;Lp和LN分别为P区和N区的耗尽层的宽度。在PIN层中，对P层和I层(低掺杂N型半导体)形成的PN结，于是在I层中形成很宽的耗尽层。图2-6硅PIN光电二极管原理图 PIN光电二极管在热平衡、无光照时，分别在P-I界而和I-N界而建立起有电离受主和正电荷以及电离施主与负电荷构成的自建电场，如图3-6所示。对于整个I层可以分为正电荷区、中性区、负电荷区三部分。此时整个管子等效于PI二极管电阻IN二极管”的串联。 图2-7外加电场对硅PIN光电二极管内部影响示意图 外加反向偏压时，在P-I结和I-N结上形成方向与内建电场一致的电场。此时，I区两端的电子和空穴在电场的作用下分别向N+和P一区漂移，同时势垒区的宽度也随电压增大而变宽。当电压值达到一定值时，整个本征区全部变成耗尽区，电场于在P极与N极之间。整个PIN光电二极管等效于以本征层为电介质的平板电容。 PIN二极管在加反偏电压时有很厚的耗尽层，扩展了光电转换的有效工作区，因此可以对入射光信号充分吸收，有利于量子效率的提高。此外PIN光电二极管还具有以下几个优点:.由于本征区是高阻的.因此器件的耐压较高、两侧的P区和N区都是高掺杂的，因此又可以有较小的串联电阻。反向偏压下，本征区内有一个强电场区。它对光生载流子起加速分离作用，使本征层稍厚些也不会使载流子的渡越时间太长，有利于提高器件的响应速度。.反偏下，PIN结构的耗尽层比普通二极管的厚很多，因此结电容很小，有利于器件的高频应用。 要使入射光功率有效地转换成光电流，首先必须使入射光能在耗尽层(灵敏区)内被吸收，这要求耗尽层宽度足够宽。但是随着耗尽层宽度的增大，在耗尽层的载流子渡越时间会增大，PIN光电二极管的响应速度将会下降。因此耗尽层宽度需在响应速度和量子效率之间进行优化。 (2)主要特性PIN光电二极管的主要特性包括波长响应范围、响应度、量子效率、响应速度、线性饱和、反向击穿电压和暗电流等。光谱响应: 硅PIN光电二极管的光谱响应范围分布较宽，一般为320到1100nm之间，峰位约在960nm左右。.响应度和量子效率: 响应度和量子效率表征了光电二极管的光电转换效率。由于S i-PIN光电二极管的灵敏区厚，使得这类器件拥有良好的响应度和较高的量子效率，平均量子效率在60%到8_5%之间。.响应速度: 响应速度是光电二极管的一个重要参数。响应速度通常用响应时间来表示。响应时间为光电二极管对矩形光脉冲的响应一一电脉冲的上升或下降时间。响应速度主要受光生载流子的扩散时间、光生载流子通过耗尽层的渡越时间及其结电容的影响。S i-PIN光电二极管的具有很快的响应速度，其扩散和漂移时间一般在0.1 ns量级，相当于GHz的频率响应。实际运用中光电二极管的频率响应主要受电路的RC时间常数影响。.工作线性:光电二极管的线性饱和指的是它有一定的功率检测范围，当入射功率太强时，光电流和光功率将不成正比，从而产生非线性失真。硅PIN光电二极管有非常宽的线性工作区，当入射光功率低于mW量级时，器件不会发生饱和。.偏置电压与暗电流: 无光照时，S i-PIN作为一种PN结器件，在反向偏压下也有反向电流流过，这一电流称为PIN光电二极管的暗电流。它主要由PN结内热效应产生的电子-空穴对形成。当偏置电压增大时，暗电流增大。当反偏压增大到一定值时，暗电流激增，发生了反向击穿。发生反向击穿的电压值称为“反向击穿电压”。S i-PIN的典型击穿电压值为100多伏。PIN工作时的反向偏置都远离击穿电压，综合考虑偏压对器件结电容、响应速度和暗电流等因素的影响.2.4.3影响硅光电二极管输出信噪比的因素10用硅光电二极管组成的光电检测电路的信噪比，除了与选用的二极管的性能和偏压方式有关之外，还与输入电路的元件参数有关。如果考虑到测量时的线性，必须保证负载阻抗为零。因此常用低噪声运算放大器构成电流电压转换器的办法来满足这一要求，。由于负反馈运算放大器的等效输入阻抗为R= Rr/ (1+ A )，其中A为运算放大器的开环增益，Rr为放大器的反馈电阻。一般而言，运算放大器的开环增益A W1 x 10，则输入阻抗R 约等于0。这一方面可提高硅光电二极管测量的线性，另一方面因光电二极管工作区域接近短路状态，电路可获得最小噪声系数。2.5前置放大器将探测传感器输出的粒子信息收集起来，并转换成适于电缆运送到后续电子设备的电压或电流信号。这就需要一个紧靠探测传感器的“前置放大器”。在探测器输出信号的幅度很小时，前置放大器既要能对信号作初步放大，以降低输出信号在传递过程中所受噪声和外界干扰的影响。在用于能量测量时，前置放大器本身的噪声很小，以保证放大微弱的电荷信号并能分辨出它们的微小差别。当需要分析信号的时间信息时，前置放大器要能准确地保留粒子的时间信息;以便能确定事件发生的时间或粒子种类，此时采用前置放大器。2.5. 1前置放大器的作用 在现场测量中，探测器附近有一定的辐射剂量存在，有时候工作人员必须远离辐射现场操作测量仪器，探测器的输出端到放大器的输入端之间会有很长的导线连接，这之间的分布电容影响会很大，为了减少外界的干扰，提高信噪比，并使联接信号用的高频电缆阻抗相应匹配，通常把放大器分为前置放大器和主放大器两部分。前置放大器又称为预放大器，它的体积较小，放置在探测器附近，前置放大器的输入与探测器相配合，再经过高频电缆与主放大器相连。概括起来，设置前置电荷放大器主要作用有二个:一是减少探测器输出端到放大器输入端之间的分布电容的影响，减少外界干扰，提高信噪比;二是使联接信号用的高频电缆阻抗相应匹配。为了提高测量的精度和灵敏度，前置放大电路需采用线性修正的电荷放大电路，以获得较低的下限频率，消除电缆的分布对灵敏度的影响，使设计的传感器体积小型化2.5.2前置放大器的种类：根据探测器输出信号成形方式的特点分类可以分为两大类：积分型放大器电压灵敏前置放大器：对探测器信号先积分再放大。电荷灵敏前置放大器：放大和积分同时进行。电流型放大器电流灵敏前置放大器：保留输入电流信号的形状特征半导体探测器的输出讯号的幅度是由入射粒子通过灵敏层时释放的电荷量决定的。这个讯号时相当微弱的，为了精确分析粒子能量，就需要有高线性，低噪声的放大器与其配合。但是应当指出，由于半导体探测器的结电容是随着外加偏压而改变，因此在不同的偏压下，对同样能量损耗下的入射粒子来说就给出不同幅度的电压脉冲，这就影响了能量的准确性。故一般在能量分析时，要采用电荷灵敏前置放大器与探测器相配合，而且要求放大器的输入端的噪声尽量小.而且电压放大器与电荷放大器相比，电路简单、元件少、价格便宜、工作可靠，但是，电缆长度对测量精度的影响较大，而使用电荷放大器则可以在一定的条件下，使传感器的灵敏度与电缆长度无关，所以采用电荷灵敏放大器。2.6电荷灵敏放大器2.6.1电荷灵敏放大器的原理电荷灵敏放大器可看成是电荷积分器，它总是在量程电容两端以大小相等，极向相反的电荷补偿传感器产生的电荷。量程电容两端的电压同传感器产生的电荷成正比，因此同被测量成正比。实际上，电荷放大器是将输入的电荷Q转换可处理的输入电压U。电荷灵敏放大器结构是:由高输入阻抗、高增益的倒相放大器与一个反馈电容组成的负反馈放大器。图中今为反馈积分电容，C为输入端电容。当输入宽度为41的信号时，输出电压V,上升。输入电荷Q为输入信号电流随时间的积分，即输出信号电压的稳定值耳W与输入电压稳定值vy)间的关系为:式中A为放大器增益。由于输入信号电荷分配在反馈电容Cf和无反馈是输入端总电容C中，满足可以得到输出信号电压幅度v、为:放大器增益A足够大，的情况下，输入电荷主要集中在Cf上，输出电压V,近似等于Cf两端电压Vf。输出信号幅度vOM为，它仅由反馈电容今和探测器输出电量Q的大小决定，不随输入电容Ci和运放增益A的变化而变化，只要Cf大小恒定不变，输出信号幅度保持与电荷量正比关系。图2-8电荷灵敏放大器的原理图2.6.2电荷灵敏前置放大器的噪声电荷灵敏前置放大器的噪声主要包括:（1）反馈电阻RF的热噪声。（2）探测器偏置电阻RB的热噪声。 （3）场效应管的沟道热噪声。 （4）探测器漏电流的散粒噪声。（5）场效应管的栅极漏电流的散粒噪声。第三章系统设计及方案选择3.1光电二极管前置放大设计的基本原则光电二极管前置放大电路在设计中要考虑很多因素：增大信号带宽也会增大输出电压噪声，减小反馈电容C2至1PF能将信号带宽提高至160Hz。由于寄生电容很小，因此很难进一步减小C2，为了确保电路稳定，还要使用一些反馈电阻，而若在在强光强下工作，则要减小反馈电阻，所以光电二极管电荷灵敏前放设计将是一个折中的方案，主要从以下四个方面进行制定：（1） 优化精度，减小漏电流优化精度：要精确测量数10pA范围的光电二极管电流，运算放大器的偏置电流不应大于数皮安，这就大大缩小了选择的余地。工业标准的OP07是一种超低失调电压（10V） 的双极型运算放大器，但是其偏置电流达4nA（4000pA）。尽管带偏置电流补偿的 超双极型运算放大器（例如OP97），在室温下的偏置电流大约有100 pA，但是 因为它不象FET那样温度每升高10偏置电流就增加一倍，所以对于很高温度下的 应用很合适。我们选择带FET输入的“静电计级”运算放大器作为光电二极管前置 放大器，因为它必须只工作在指定的温度范围内。减小漏电流：因为二极管电流以pA为单位测量的，所以必须特别注意实际电路中潜在的泄漏路径。对于高质量、清洁的环氧树脂印制电路板上的两条相距0.05英寸的平行导线 ，在125时1英寸长的平行布线的漏电阻约为1011欧姆，如果在它们间存在15V的 电压，便会有150 pA的电流流过。光电二极管的主要泄漏路径如图5中的虚线所框。反馈电阻应采用有玻璃绝缘的陶 瓷电阻或玻璃上的薄膜电阻。跨接在反馈电阻两端的补偿电容器应具有聚丙烯或 聚苯乙烯介质。与汇合结点的所有连线应足够短。如果用电缆将光电二极管和前置放大器相连接，则电缆应尽量短且用聚四氟乙烯绝缘。通过将放大器的输入与印制电路板上的大电压梯度进行隔离的防护方法，可以减少寄生泄漏电流。实际上，防护方法就是在输入线周围并上升到线路电压的低阻抗导线。它通过将泄漏电流转移到远离灵敏结点处而对泄漏电容起缓冲作用。（2） 失调电压及漂移：电路中有两点重要考虑。首先,二极管分流电阻(R1)随温度而变每当温度升高10时,其阻值便减小一半。在室温(+25)下,R1=1000M,而在+70时R1便减小到43M。这对电路 的直流噪声增益,因而对输出失调电压带来巨大影响。例如,在+25时直流噪声增 益是2,而在+70时噪声增益便增大到24。（3） 噪声分析：在测量中, 除了真正有用的信号外, 同时有许多噪声源所产生的噪声与信号叠加在一起,因此为提高测量精确度, 必须设法减少噪声, 尽量提高信噪比。加有偏压的探测器漏电流, 常温下在10- 9A 量级, 电容接近几pF。相比之下, 探测器对整个电路噪声贡献是很小的。前置放大器噪声很大一部分取决于输入级FET 的噪声。要降低这方面的噪声水平, 关键要有优质的FET 作为输入级。要求FET 有大的跨导, 高输入阻抗, 低输入电容和小的漏源电流。（4） 交流设计，带宽和稳定性：前置放大器交流设计的关键是理解电路噪声增益是频率的函数，在光电二极管的前置放大电路中，光电二极管的输出电流将流过C2R2网络。正确区分信号增益和噪声增益非常重要，因为噪声增益决定了电路的稳定性，而与信号的施加点无关。C2的取值决定了实际的信号带宽和相角裕度，仅仅增大反馈电容C2并不能实现同样的功能。增大C2会减小高频噪声增益，但是积分带宽将会因此而成比例的增大，同时还减小了信号带宽。3.2配合硅半导体探测器的电荷灵敏前置放大器的设计原则 钝化离子注入硅(PIPS)探测器和硅面垒型探测器都是硅探测器。这两种探测器由于制备工艺不同它们的电特性和核辐射特性各有不同，但就平均电离能力而言，在硅中当温度为77K均大约为3. 8eV。这两种探测器的灵敏区实际上是另一种形式的P-N结。工作时，P-N结上加反向电压，即P型处加负电压，N型处加正电压。偏压越高，耗尽层越厚，灵敏区越宽，探测器等效电容越小，探测器的漏电流就越大。当粒子入射到灵敏区时，通过与半导体材料的相互作用，很快损失掉能量，这些能量使电子由禁带被激发到导带上，于是产生了电子一空穴对。在电场的作用下，电子和空穴分别向两极飘移，在输出回路中形成信号。探测器的表面对光透明，应避光使用。本研究中选用的是fi 26的金硅面垒型探测器，它的能量分辨率是25keV (Am-241源5. 486MeV a粒子半宽高)，噪声为19keVo 在脉冲探测器中，每个探测事例约为10-io一10-is C，在直流仪器中，约为 10-1sA;电流持续时间范围低于l0ns;信号的上升时间为5ns左右。由此可见，探测器输出的是一种强度弱而且上升时间与持续时间都很短的高频脉冲信号，所以配合这类探测器的放大器要求输入阻抗高，响应速度快，开环增益大和频带宽并且要有很低的噪声。针对这种探测器的特性与对电荷灵敏放大器的模型分析，可见应遵循以下设计原则来设计相应的电荷灵敏放大器。 1.在输入级应采用低噪声器件，减少输入总电容(包括探测器等效电容、电缆电容和器件输入电容)可以有效的降低噪声。 2.上升时间要尽可能小，以便能真实的反映探测器的输出信号。 3.尽可能的提高放大器开环增益以减小放大器的测量误差、提高输出幅度的稳定性。 4.缩短探测器电缆，减少电缆电容和电缆电阻，适当提高探测器的偏置电压，减少探测器输出电容。这样有利于减少电荷放大器的噪声和提高上限截止频率。当然，过分的提高探测器偏置电压会增大探测器的漏电流，从而使放大器的噪声有较大的提高。故偏压必须根据实际情况通过试验来选定。 5.采用低噪声结型场效应管或者低噪声结型场效应管工艺的运放作为电荷灵敏放大器的输入级，这样可以降低噪声并有效的抑制零飘。适当的减小反馈电阻来增大直流反馈强度，稳定直流工作点并抑制零飘。3.3系统方案选择系统方案主要依据整个光电二极管电荷灵敏前置放大器的原理和设计基本原则进行选择.3.3.1光电二极管的选择 灵敏而积大小是选择器件首先考虑的因素，足够的而积才有利于光子收集。我们选择10 X 10 mm2或更大灵敏而积的光电二极管作为选择对象。结型器件频率响应差、结电容较大、价格较高;APD线性差、工作偏压较高、价格贵;PIN型器件大部分的性能介于结型和雪崩型之间，拥有良好的性价比图3-1硅光电二极管特性比较综合考虑以上要求，我们选择了日本滨松公司生产的S3_590-08大灵敏面积硅PIN光电二极管作为光电器件。S3_590系列硅PIN光电二极管是专门为高能物理领域应用而设计，主要作为闪烁探测器(主要为CsI(T1)的光电转换器件。该系列器件在反偏情况下具有很高的内阻，因此器件可以承受较高的反向偏压。虽然该系列器件的灵敏而积较大，但还是拥有很快的响应频率。S3_590-08是该系列中性价比最高，且在国内研究较多的一款，主要具有:大灵敏而积、光谱响应范围宽、量子效率高、灵敏度高、频率响应快、结电容低.偏置电压低、稳定性好、功耗低、价格低等优点63.3.2电荷灵敏放大器的选择依据设计原则电荷灵敏前置放大器设计了俩种方案:方案一： 第一种电荷灵敏放大器：它由两部分组成:第一部分是电荷灵敏级，将电荷信号转换为电压幅度输出，并实现电荷灵敏放大的功能。这一级由低噪声高频结型场效应管IRF730以源极输出器方式与低噪声、较宽频带的运放Ul(1VE5534)构成，具有输入阻抗高、噪声低、响应好等特点。第二部分是放大输出级，用以进一步放大电压脉冲，由运放U2(NF5534)构成，整个电路采用十12V供电。第一种电荷灵敏放大器原理图方案二：第二种电荷灵敏放大器：它由两部分组成: 第一部分是电荷灵敏级, 把电荷信号转换为电压幅度输出, 并实现电荷灵敏放大的功能。它由一级低噪声、高跨导的结型场效应管3DJ7和一级低功耗, 较宽频带的运算放大器LF442 以及反馈网络构成。第二部分是放大输出级, 用以把电压脉冲进一步放大, 由运算放大器LF442构成, 具有转换速度快及电压增益高等特点。第二种电荷灵敏放大器原理图方案三：图3-10为第三种电荷灵敏前放的基本电路(以下称电路3)，它也是由电荷灵敏级和电压放大级组成。电荷灵敏级由两只低噪声高频结型场效应管2N4416以共源放大器的方式与运放U1(NE5534)构成。第二部分是电压放大级，它把脉冲进一步放大，它与上两个电路相同，由运放U2 (NE5534)构成。电路采用十12V供电。与电路1不同的是Q1, Q2构成了共源放大器，其中Q1以恒流源的方式作为Q2的负载从而提高了共源放大器的增益，以恒流源为负载的共源放大器与高开环增益的运放NE5534串连在前向通道中极大的提高了整个电路的开环增益从而减小放大器的测量误差。第三种电荷灵敏放大器原理图四种方案比较：第一种方案设计的电荷灵敏放大器具有具有转换速度快、电压增益高等特点，但是在集成度，调试方面较第二种差。第二种方案设计的电荷灵敏放大器具有性能高，体积小，工作稳定，便于调试，更适合用作核物理探测，因此在综合比较和设计原则上选择方案二，下面对方案二进行详细的阐述：为使电荷灵敏前置放大器具有良好的响应输出和信噪比，从规则性和小型化考虑，我们采用了集成运算放大器。在考虑到响应速度映、频带宽、功耗低等要求，并兼顾到市场需求，这里选用了具有FET输入级的LF442双运算放大器，实现了有良好信号输出的电荷灵敏前置放大器电路.前置放大器的噪声源包括反馈电阻的热噪声、场效应管的沟道热噪声和闪烁噪声以及场效应管栅极漏电流噪声等。要降低噪声应通过选择合适的元器件，采用合理的布线。输入级采用低噪声器件。JFET相对于BJTMOSFETMESFET具有更低的低频噪声和散粒噪声，所以选取JFET作为前放的输入节。在同型的场效应管中筛选出跨导较大而