暗电流 Dark current

2022-12-15 10:38:45 浏览:189

定义

来自光电探测器的电流,即使在没有光输入的情况下也会发生。

大多数光电探测器,如光电二极管、光电晶体管、CCD传感器和光电管,产生的信号电流或多或少与入射光功率成正比。 然而,即使在没有任何光输入的情况下,通常也存在一些微量的直流电流,称为暗电流。 由热波动引起的平均值为零的额外波动电流通常不称为暗电流。

根据光电探测器设备和条件的不同,暗电流的幅度可能非常不同——有时远低于1 nA,在其他情况下则高出许多数量级。

对于许多应用来说,暗电流完全可以忽略不计,但在某些情况下,这很重要——例如,当需要检测极小的光功率时。 原则上,可以使用模拟电子设备或软件从获得的信号中减去暗电流,但这仅在有限的程度上起作用,因为暗电流可能在很大程度上与温度相关(见下文),并且还表现出散粒噪声。

暗电流的起源

光电探测器的暗电流可能有不同的来源。

具有内部光电效应的光电探测器中的暗电流

在光电二极管和其他具有一些p-n或p-i-n结的检测器中,它通常是由载流子的热激发(产生)引起的 - 不一定直接从价到导带,但可能通过与晶体缺陷或杂质相关的缺陷状态(在这种情况下当然具有较低的活化能)。 这种热过程的速率不仅取决于有效面积,而且关键取决于温度和材料的带隙能量(可能还有常见缺陷的能级),还取决于工作电压(特别是在击穿电压附近,在那里可能发生冲击电离)。 在高电压下,通过耗尽区域的隧道也可能有所贡献。

对于硅基光电二极管等可见光检测器,暗电流可能非常小(例如在皮安区域)(即使对于显着的偏置电压),对于大多数应用来说也可以忽略不计。 锗光电二极管表现出更高的暗电流,然而这主要不是由于它们的带能量较低。 与硅相比,砷化铟镓二极管的带隙能量也较低,也表现出相对较低的暗电流。

对于带隙小得多的材料,暗电流可能是一个严重的问题,因此可能会强制在大幅降低的温度下工作。 因此,例如,一些中红外热像仪需要配备斯特林冷却器,以便在100 K左右甚至更低时运行。

在击穿电压附近工作时,暗电流可能比低电压强得多。

暗电流也可能由一些与热激励无关的漏电流产生。

在零偏置电压下工作可能是一种解决方案。

在任何情况下,在零偏置电压下工作通常不会产生暗电流,因为没有可用的能量供应——至少只要器件的温度均匀,排除任何珀尔帖效应。 因此,例如,在必须避免暗电流影响的情况下,可以以零偏置电压操作光电二极管。

当然,输出信号的漂移也可能发生在相关电子设备中,例如由于运算放大器的偏置漂移。 因此,非零输出信号并不一定表示检波器的暗电流。

具有外部光电效应的光电探测器中的暗电流

暗电流的主要原因通常是光电阴极上的热离子发射。 这意味着电子的热激发。 对于具有非常低功函数的阴极材料,热离子发射可能很大,这是红外检测的要求。 它也与温度密切相关;因此,低温操作是降低暗电流的一种非常有效的措施。 对工作电压的依赖性较弱。

对于相当高的工作电压,由于灯泡中不同位置的场发射,暗电流可能会急剧上升。 这可能导致加速衰老。

一些电流是由残余气体的电离贡献的,即由于不完全真空。 对于在较高电压下运行的设备(例如光电倍增管),情况尤其如此。

通常相当弱的贡献来自由于不完美的电气隔离而导致的漏电流。

闪烁也可能产生一些不需要的光,例如当电子撞击玻璃管时。 在通常非常低的水平上,宇宙射线和放射性物质(例如在玻璃管或附近环境中)会产生微弱的闪光。

基础光学

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