《Cryogenics》：Cryogenic characterization and compact modeling of the 4N25 optocoupler from 30 K to 300 K
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4N25光耦合器在低温环境下（低至30 K）仍然能够正常工作。
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随着温度的降低，输入L
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4N25光耦合器在低温环境下（低至30 K）仍然能够正常工作。
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随着温度的降低，输入LED的电流和光电晶体管的增益会减小。
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光耦合器的电流传输比会随温度变化而呈非单调变化。
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为了使光耦合器正常工作，所需的LED电流会随温度的降低而减小。
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已在LTspice中成功实现了基于温度的紧凑模型。
引言
量子计算机通常在毫开尔文温度下运行，以抑制环境噪声对量子比特脆弱运行的干扰[1]，同时使用中间温区（4 K至100 K）来提高冷却效率[2]。这些中间温区包含将信号传输到量子处理器的线路和电子连接。因此，强大的噪声隔离至关重要，以防止来自较高温度的热噪声和电噪声降低系统性能[1]。像4N25这样的现成光耦合器在室温下具有强大的电气隔离和噪声解耦能力[3]，如果它在低温环境下也能正常工作，可以为低温电路提供经济高效的信号隔离解决方案。然而，由于它主要在室温或接近室温的条件下使用，其在低温下的行为尚不清楚。对这些特性的系统研究需要详细的电气特性分析和稳健的建模框架。其中，LTspice是一个强大且广泛使用的电路仿真工具，用于模拟光耦合器的特性。但目前只有针对室温条件的简化模型[4]，而没有涵盖低温范围的全尺寸模型。
本文旨在对商用光耦合器（4N25）在300 K至30 K范围内的特性进行表征，并使用LTspice和MATLAB开发出一个随温度变化的紧凑模型以提取参数。研究了4N25光耦合器的输入LED电流-电压（I-V）特性、输出晶体管的电流增益（IC）、Gummel参数以及子部件之间的耦合特性。相关温度依赖参数通过MATLAB提取，并随后用于LTspice中以对测量结果进行建模。实验表明，4N25在30 K低温下仍能良好工作。这项工作证明了这种价格低廉且广泛可用的4N25在低温应用中的潜力，这与传统观点（即由于载流子冻结效应它应该会失效）相悖[5]。
章节片段
实验
选择4N25作为研究对象是因为它在许多商用设备中作为通用电气隔离组件被广泛使用，同时成本较低。本实验使用了来自Vishay Semiconductor同一生产批次的五个4N25单元。因此，从紧凑模型中提取的参数仅代表这五个设备，而非整个4N25产品系列。
特性分析
本节介绍了代表性4N25光耦合器的温度依赖性电气特性。首先分别对输入LED和输出光电晶体管进行了特性分析，然后研究了它们之间的耦合关系。
建模
为了解决300 K和30 K之间观察到的显著电气差异，本节详细介绍了代表性4N25光耦合器的综合低温模型的开发过程。该过程包括三个步骤：参数提取、温度依赖性公式推导以及在LTspice中的实现。这一方法依次应用于输入LED、输出光电晶体管，最后是LED与光电晶体管的耦合特性。
结论
本研究对4N25光耦合器在低温环境下的性能进行了全面的特性分析和建模。在LTspice中实现的仿真结果与实验数据高度吻合。
对于输入LED阶段，随着温度的降低，需要更高的偏置电压（VF）来维持恒定的电流（IF），这一趋势被模型准确捕捉到了。在输出光电晶体管阶段，共射电流增益有所减小。
作者贡献声明
Teerapat Wongmanerod：撰写原文、可视化设计、软件开发、方法论制定、数据分析、概念构思。 Songphol Kanjanachuchai：审阅与编辑、监督工作、方法论制定、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢Chalermchai Himwas提供的技术建议，Wenich Pumee提供的技术支持，以及Boonmongkhon Boonsom在测量和数据采集方面的协助。
Teerapat Wongmanerod | Songphol Kanjanachuchai
