位置敏感器件PSD抗干扰方法研究

　　1　PSD的基本组成原理

　　PSD是一种利用半导体的“横向效应”达到器件对光信号位置敏感的光电探测器。它是在片状本征半导体硅的表面,通过掺杂工艺形成P型层和N型层,从而形成面状的PN结。当光束入射至器件的光敏面内时,产生光生载流子,从而将光能转化成穿过PN结的光电流。图1所示为PSD(一维)的剖面示意图。

　　2　稳定杂散背光对PSD的干扰影响特性

　　取图2所示的坐标系,设ρ(r,t)为t时刻r位置处PSD由于光的照射而产生的光生载流子的浓度,C为垫垒电容,Ψ(r,t)为t时刻r位置区的电势,WP为P区厚度,ρP为P区电阻率,fs(r,t)为信号光在t时刻r位置区的电子空穴对发生函数,Jd为反向饱和电流密度,对反偏状态下应用的PSD,据Lucovskey方程得,

式中的第二项表示外加偏置、漏电流和恒定均匀背景光的影响。如果忽略外加偏置影响及无漏电流,则式(1)表示了信号光与背景光对产生电子空穴对具有同样的影响。通过运算,可以发现光电流所发映出的位置信息正是光斑的光强重心。

　　3　PSD在稳定杂散背景光干扰下的位置误差输出特性方程

　　图3所示为PSD(一维)的等效电路图。设两电极距离为2L,以两电极中心为坐标原点,入射光斑的光强重心距坐标原点为x(由图1所示),由于PSD作为光敏面的P型层,具有均匀的电阻率,则:

　　设PSD在工作过程中,目标光斑入射在PSD的光强重心为P0(x0),背景杂散光入射在PSD上的光强重心为Pt(xt),则PSD的实际输出是两个光强中心共同作用的结果,其输出坐标P(x)为:

　　上式表明,当两等效光强中心共同作用在PSD上时,PSD输出电流运算出的位置坐标P(x)位于两等效光强中心的连线上,且距两等效光强重心距离之比与两光束入射光强成反比。

　　4　消除杂散背景光及暗电流的方法

　　为解除干扰信号对目标位置误差的影响,最根本的办法就是根据干扰信号的特征,将其与目标信号分离,以提高参与运算信号的信噪比。由于PSD的光谱响应峰值在900nm附近,但其光谱响应曲线较宽,所以,通常是选定红外发光二极管或半导体激光器作为目标光源,并据其特性设计与之匹配的干涉滤光片,使PSD上的入射信号有良好的信噪比。

　　上述光学滤波法是建立在目标物光源与干扰光源的波长不同的基础上,在实际应用中二者的波长总有重叠,因此需从PSD的输出信号中将二者进行分离。由于PSD在实用中的干扰源多为自然光或人工照明,亮度变化缓慢,在PSD上造成的响应为直流和低频信号,所以,可对目标物光源进行高频调制,使PSD响应为高频脉冲信号,在电路处理中采用高通滤波法将信号源与干扰源分离。