如果取=30pF，
那么
从上述分析可见，载流子扩散时间和电路时间常数大约同数量级，是决定光电二极管响应速度的主要因素。 5.噪声特性
由于光电二极管常常用于微弱光信号的探测，因此了解它的噪声性能是十分必要的。图2. 6一9是硅光电二极管的噪声等效电路。对高频应用，两个主要的噪声源是散粒噪声阻热噪声
。输出噪声电流的有效值
和电
相应的噪声电压
式中，
分别是信号电流、背景光电流和反向饱和暗电流的平均值。由上式可见，
是合理减小噪声的有效途径。
从材料及制造工艺上尽量减小 ，并合理选取负载电阻
图 2.6-9 光电二极管的噪声等效电路
光电二极管响应时间的改善
从硅光电二极管的讨论可知，改善其频率响应特性的途径是设法减小载流子扩散时间和结电容。从这个思路出发，人们制成了一种在P区和N区之间相隔一本征层（I层）的PIN光电二极管。
PIN硅光电二极管的结构及管内电场分布如图2. 6一10所示。从图中可见，本征层首先是个高电场区。这是由于本征材料的电阻率很高，因此反偏压电场主要集中在这一区域。高的电阻使暗电流明显减小。在这里产生的光生电子一空穴对将立即被电场分离，并快速漂移运动。本征层的引入明显地增大了
区的耗尽厚度。这有利于缩短载流子的扩散过程。
耗尽层的加宽也明显地减小了结电容，从而使电路时间常数减小。由于在光谱响应的长波区硅材料的吸收系数明显减小，因此耗尽层的加宽还有利于对长波区光辐射的吸收这样，PIN结构又提供了较大的灵敏体积，有利于量子效率的改善。
图2. 6一10 PIN硅光电二极管的管芯结构和电场分布
（a）管芯结构； （b）电场分布
性能良好的PIN光电二极管，其扩散和漂移时间一般在
s量级，相当于吉赫频率
响应。因此实际应用，}，决定光电二极管频率响应的主要因素是电路时间常数，PIN结构的结电容一般可控制在10 pf量级；适当加大反偏压，还可减小一些。因此，合理选择负载电阻
是实际应用中的重要问题。
PIN光电二极管的上述优点使它在光通信、光雷达及其它快速光电自动控制领域得到了非常广泛的应用
三、基本原理
通常，光电探测器件输出的电信号都要在时间上落后于作用在其上的光信号，即光电探测器件的输出相对于输入的光信号要发生沿时间轴上的扩展，这种响应落后于作用信号的特性称为惰性。由于惰性的存在，会使先后作用的信号在输出端相会交叠，从而降低了信号的调制度。如果探测器观测的是随时间快速变化的物理量，则由于惰性的影响会造成输出严重畸变。因此，深入了解探测器的时间相应特性是十分必要的。
而光电探测器件的频率特性，是指该器件对交变入射光的响应能力。并且，它的器件响应的时间常数有关，时间常数越小，上限频率越高，响应时间越快。下面就介绍一下他们的原理。
表示时间响应特性的方法主要有两种，一种是脉冲响应特性法，另一种是幅频特性法。 1．脉冲响应 响应落后于作用信号的现象称为弛豫。对于信号开始作用时的弛豫称为 上升弛豫或起始弛豫，信号停止作用时的弛豫称为衰减弛豫。弛豫时间的具体定义如下： 如用阶跃信号作用于器件，则起始弛豫定义为探测器的响应从零上升为稳定值的(1 – 1/e)（即63％）时所需的时间。衰减弛豫定义为信号撤去后，探测器的响应下降到稳定值的1／e（即37％）所需的时间。这类探测器有光电池、光敏电阻及热电探测器等。另一种定义弛豫时间的方法是起始弛豫为响应值从稳态值的10％上升到90％时所用的时间；衰减弛豫为响应从稳态值的90％下降到10％时所用的时间。这种定义多用于响应速度很快的器件如光电二极管、雪崩光电二极管和光电倍增管等。
若光电探测器在单位阶跃信导作用下的起始阶跃响应函数为[1?exp(?t / τ1 ) ]，衰减响 应函数为exp(?t / τ1 )，则根据第一种定义，起始弛豫时间为τ1，衰减弛豫则间为τ2。 此外如果测出了光电探测器的单位冲激响应函数，则可直接用其半值宽度来表示时间持 性。为了得到具有单位冲激函数形式的信号光源，即δ函数光源，可以采用脉冲式发光二极 管、锁模激光器以及火花源等光源来近似。在通常测试中，更方便的是采用具有单位阶跃函数形式亮度分布的光源。从而得到单位阶跃响应函数，进而确定响应时间。
2．幅频特性 由于光电探测器惰性的存在，使得其响应度不仅与入射辐射的波长有关， 而且还是入射辐射调制频率的函数。这种函数关系还与入射光强信号的波形有关。通常定义 光电探测器对正弦光信号的响应幅值同调制频率间的关系为它的幅频特性。许多光电探测器 的幅频特性具有如下形式。
A（ω）=1 / (1+ω2τ2 )1/2 (3–1) 式中A（ω）表示归一化后的幅频特性；ω=2π?为调制圆频率；?为调制频率；τ为响应时间。 在实验中可以测得探测器的输出电压V(ω)为
V（ω）= V0 / (1+ω2τ2 )1/2 (3–2) 式中V0为探测器在入射光调制频率为零时的输出电压。这样，如果测得调制频率为?1时的输出信号电压V1 和调制频率为?2时的输出电压信号V2 ，就可由下式确定响应时间
τ=1/2π[(V12-V22)/（(V2f2)2-(V1f1) 2）]
1/2
(3–3)
为减小误差，V1 与V2的取值应相差10％以上。
由于许多光电探测器的幅频特件都可出式(3—1)描述，人们为了更方便地表示这种特性，引出截止频率?c。它的定义是中输出信号功率降至超低频一半时，即信号电压降至超低频信号电压的70.7％时的调制频率。故?c频率点又称为三分贝点或拐点。由式(3—1)可知 ?c=
12?? (3–4)
实际上，用截止频率描述的时间特性是由式(4—1)定义的τ参数的另—种形式。 在实际测量中，对入射辐射调制的方式可以是内调制，也可以是外调制。外调制是用机械调制盘在光源外进行调制，因这种方法在使用时需要采取稳频措施，而且很难达到很高的调制频率，因此不适用于响应速度很快的光电探测器，所以具有很大的局限性。内调制通常采用快速响应的电致发光元件作辐射源。采取电调制的方法可以克服机械调制的不足，得到稳定度高的快速调制。
四、实验仪器
光电探测器时间常数测试实验箱；20M的双踪示波器；毫伏表。
在光电探测器时间常数测试实验箱中，提供了需测试两个光电器件峰值波长为900nm的光电二极管和可见光波段的光敏电阻。所需的光源分别由峰值波长为900nm的红外发光管和可见光(红)发光管来提供。光电二极管的偏压与负载都是可调的，偏压分5V、10V、15 V三挡，负载分100殴姆 、1k殴姆、10k殴姆、50k殴姆和100k殴姻五档。根据需要，光源的驱动电源有脉冲和正弦波两种，并且频率可调。 信号发生器 Rf 发光二极管 偏压 EXT 示波器 Y 光子探测器 毫伏表 负载 图3-1响应时间测试装置框图
下面简要介绍CS-1022型示波器的外触发工作方式和10％到90％的上升响应时间的测试方法。
1. 外触发同步工作方式 当示波器的触发源选择ext档时，CS-1022型示波器右下角的外触发输入插座上的输入信号成为触发信号。在很多应用方面，外触发同步更为适用于波形观测，这样可以获得精确的触发而与馈送到输入插座CH1和CH2的信号无关。因此，即使当输入信号变化时，也不需要再进一步触发。
2. 10％到90％的上升响应时间的测试 （1） 将信号加到CH1输入插座，置垂直方式于CH1。用V/div和微调旋钮将波形 峰峰值调到6div。 （2） （3）
用▲/▼位旋钮和其他旋钮调节波形，使其显示在屏幕垂直中心。将t/div开关调到尽可能快的档位，能同时观测10％和90％两个点。将微调置于校准档。 用?/?位旋钮调节10％点，使之与垂直刻度线重合，测量波形上10％到90％点之间的距离（div）。将该值乘以t/div，如果用“×10扩展”方式，再乘以1/10。
请正确使用10％、90％线。在CS-1022型示波器上，每个0％、10％、90％、100％测
量点都标记在示波器屏幕上。
使用公式：
上升响应时间tr=水平距离为4（div）×t/div档位ד×10扩展”的倒数（1/10）。
100 30
用??位移纽调到垂直刻度线 10 0 响应时间
图3-2 上升响应时间测量举例 【举例】
例如，水平距离为4div，t/div是2μs（见图3-2）。带入给定值： 上升响应时间tr =4.0（div）×2（μs ）=8μs
五、实验步骤
1. 用脉冲法测量光电二极管的响应时间
首先要将本实验箱面板上的“偏压”档和“负载”分别选通一组。然后将“波形选择”开关拨至脉冲档，“探测器选择”开关拨至光电二极管档，此时在“输入波形”的二极管处（黄导线）应可观测到方波，由“输出”处引出的输出线(白导线)