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≤2．2keV。
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 chargepreamplifier 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 (3)1.1选题依据和意义 (3)1.2国内外研究现状 (4)1.3主要研究内容 (5)第二章基本理论及系统原理 (5)2.1光电二极管工作原理 (5)2.1.1基本原理 (5)2.1.2光电导效应 (6)2.1.3光伏效应 (6)2.1.4光电二极管结构及工作原理 (6)2.2光电二极管的噪声 (7)2.2.1热噪声 (8)2.2.2散粒噪声 (9)2.2.3产生——复合噪声 (9)2.2.4 1/f噪声 (9)2.3光电二极管基本特性和主要参数 (10)2.3.1电压电流特性 (10)2.3.2光照灵敏度 (11)2.3.3光谱响应 (11)2.3.4结电容 (12)2.4 硅光电二极管 (13)2.4.1硅光电二极管的基本结构及其等效电路 (13)2.4.2硅PIN光电二极管的原理和特性 (14)2.4.3影响硅光电二极管输出信噪比的因素 (16)2.5前置放大器 (16)2.5. 1前置放大器的作用 (17)2.5.2前置放大器的种类： (17)2.6电荷灵敏放大器 (18)2.6.1电荷灵敏放大器的原理 (18)2.6.2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 (19)3.1光电二极管前置放大设计的基本原则 (19)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 (21)3.3系统方案选择 (22)3.3.1光电二极管的选择 (22)3.3.2电荷灵敏放大器的选择 (24)第四章放大电路设计 (29)4.1放大电路设计 (29)4.2系统主要性能 (30)4.3工艺设计 (31)4.4噪声 (31)4.5使用温度 (32)4.6关于交流耦合 (32)结论 (33)致谢 (34)参考文献 (35)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[1].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i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，12.1.2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:λ（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。