Что такое темновой ток фотодиода
Перейти к содержимому

Что такое темновой ток фотодиода

  • автор:

Фотодиод

Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор, обратный ток которого зависит от освещенности р-n перехода.

Устройство фотодиода: p-n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с других сторон.

Рис. 7.15 Устройство фотодиода

Рис. 7.16 Схема включения фотодиода — фотодиодный режим

Напряжение источника питания приложено к фотодиоду в обратном направле­нии.

Когда фотодиод не освещен, в цепи проходит обратный (темновой) ток не­большой величины (10-20 мкА для Ge и l-2 мкА для Si) неосновных носителей.

При освещении фотодиода появляется дополнительное число электронов и дырок, вследствие чего увеличивается переход неосновных носителей заряда: электронов из р-области и дырок из n-области. Это при­водит к увеличению обратного тока и падению напряжения нарезисторе RH.

Т.о. происходит преобразование электромагнитного излучения в электрический сигнал.

Режим, при котором фотодиод включается в схему с внешним источником питания, называют фотодиодными режимом, т.е. при таком режиме фотодиод — управляемое светом сопротивление.

Фотодиод может включаться без внешнего источнщса питания (рис. 7.17) = это т.н. преобразовательный (фотогенераторный) режим.

Под действием света в р-n переходе происходит генерация пар носителей заряда (электронов и дырок).

Накопление основ­ных носителей в областях р и n приводит к возникновению фото-ЭДС (фд).

При увеличении облучения генерация пар носителей растет и увеличивается величина фото — ЭДС, до тех пор, пока она не уравновесит внутреннее диффузионное поле р-n перехода.

Чем больше ширина запрещенной зоны и чем больше концентрация примесей в областях, тем больше фото -ЭДС.

Рис. 7.17 Фотогенераторный режим

Характеристики фотодиода

Основными характеристиками фотодидов являются ВАХ, световая и спек­тральная.

  1. ВАХ, определяет зависимость тока фото­диода от напряжения на нем при постоян­ной величине светового потока.

При полном затемнении (Фо= 0) через фо­тодиод протекает темновой ток 1Т.

Рабочая часть ха­рактеристик при работе в фотодиодном ре­жиме лежит в третьем квадранте.

Рис. 7.18 ВАХ фотодиода

Характерной особенностью рабочей области ВАХ (обратной ветви) является практически полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения.

Такой режим наступает при иобр порядка 1B.

Линейная зависимость фототока от освещенно­сти является достоинством фотодиода.

2. Световая характеристика, показывает зависимость тока фотодиода от вели­чины светового потока при постоянном напряжении на фотодиоде. В широком диапазоне изменений светового потока световая характеристика фотодиода оказывается линейной. При изменении температуры световая харак­теристика смещается параллельно начальному положению.

3. Спектральная характеристика, показывает зависимость спектральной чувст­вительности от длины волны падающего на фотодиод света.

Рис. 7.19 Световая характеристика и спектральная характеристика

2.3. Фотодиоды

Принцип действия фото­диодов. Фотодиодами (ФД) называют полупроводнико­вые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте, ис­пользующие одностороннюю проводимость (рn — перехода, при освещении которого появляется ЭДС (фотогаль­ванический режим) или при наличии питания изменяется обратный ток (фотодиодный режим). ФД изготавливают на основе гомоперехода (р — n — переход, образован­ный на границе двух обла­стей одинакового материала, но с примесями противоположного типа), гетеропере­хода (рn — переход, образо­ванный на границе двух об­ластей разного материала с примесями противоположно­го типа), барьера Шоттки (контактный барьер, обра­зующийся на границе металл и n — полупроводник или ме­талл и р —полупроводник и различных МДП — структур) [67].

Односторонняя проводи­мость (вентильный фотоэф­фект) возникает при освеще­нии одной или обеих обла­стей р — n — перехода. Рассмот­рим режимы работы ФД. При работе ФД в фотогаль­ваническом режиме в осве­щенной n — области образуют­ся новые носители заряда — электроны и дырки (2.10, а). Они диффундируют к р — n — переходу, где неосновные носители — дырки — переходят в р — область (обратный ток неосновных носителей), а электроны, для которых диффузионное поле р — n — перехода будет запирающим, остаются n — области.

При постоянном освещении в p — области накапливаются дырки, а n — области — электроны. Это приводит к появлению фото ЭДС, поле которой направленно против поля диффузии в р — n — переходе. Фото ЭДС, понижая одностороннюю проводимость р — n — перехода, увеличивает прямой ток основ­ные носителей.

При разомкнутой внешней цепи и неизменном освещеиии прямой ток увеличивается до тех пор, пока токи основных и неоснонпых носителей не уравновесятся, при этом между электродами р — n — перехода устанавливается некоторая разность потенциалов холостого хода , возникающая под действием освещения.

При подключении к контактам ФД нагрузки (рис. 2.10, а) и отсутствии освещения через р — n — переход и нагрузочное сопротивление потечет ток термически генерированных неосновных носителей Is, называемый темновым током. Освещение вызывает дополнительный фототок неосновных носителей

.

Общий ток в цепи ФД в фотогальваническом режиме

, (2.22)

где = — падение напряжения на нагрузке от протекающего в цепи тока; е — заряд электрона; k постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура.

Это выражение позволяет построить вольт-амперные характеристики фотогальванического режима.

Таким образом, ФД в фотогальваническом режиме непосредственно пре­образует энергию света в электрическую энергию (при освещенности 8000 лк фото-ЭДС составляет около 0,1 В). В фотодиодном режиме к ФД при­кладывают обратное напряжение (рис. 2.10, б), и при отсутствии освещения через р — n — переход и сопротивление нагрузки потечет обратный дырочный ток термически генерированных неосновных носителей , называемый тем­новым током. При освещении же n — области через р — n — переход и сопротив­ление нагрузки будет протекать дополнительный дырочный фототок неоснов­ных носителей . Суммарный ток в цепи складывается из темнового тока и фототока неосновных носителей.

Ток основных носителей в диодном режиме будет пренебрежимо малым, так как прикладываемое обратное напряжение источника питания, склады­ваясь с напряжением поля диффузии р — n — перехода, препятствует току основных носителей.

Выражение для вольт — амперной характеристики фотодиодного режима имеет вид:

, (2.23)

где V — напряжение внешнего источника, В.

Рассмотрим схемы включения, вольт — амперные характеристики и выбор нагрузки ФД.

Диодный режим работы ФД. Схема включения фотодиода в диодном режиме приведена на рис. 2.10, б, а экспериментально полученные вольт — амперные характеристики — на рис. 2.11, а, о. Теоретически вольт — амперные характеристики рассчитывают по формуле (2.23) [17, 18]. При изменении сопротивления нагрузки меняется угол наклона прямых α, так как . При этом падения напряжений на нагрузке и ФД будут:

; .

Ток внешней цепи при приложении напряжения питания в запирающем нлпряжении

.

Фототок через токовую чувствительность ФД и падающий поток излу­чении Ф

.

Рис. 2.10. Схема генерирования и разделения пар носителей заряда при освещении р — n перехода (а) и способы включения ФД на активную и реактивную нагрузки:

фотодиодный (б, г) и фотогальванический (в, д)

Рис. 2.11. Вольт — амперные характеристики ФД-1 (а), ветвь вольт — амперной характери­стики фотодиодного режима (б), фотогальванического (в) и при работе на разные нагрузки по постоянному и переменному току (г)

Из приведенных выражений

.

Продифференцировав это выражение, полечим интегральную вольтовую чувствительность ФД

.

Следовательно, для повышения вольтовой чувствительности необходимо увеличивать сопротивление нагрузки . Значение связано с макси­мальным потоком излучения, который можно зарегистрировать ФД, следую­щим соотношением:

. (2.24)

При этом точка пересечения прямой нагрузки с вольт — амперной характе­ристикой, соответствующей максимальному потоку излучения , должна лежать в области диодного режима. С учетом выражения (2.24)

.

Из выражения (2.25) получим две приближенные формулы для при и , удобные для практических расчетов:

;

.

В случае максимальная вольтовая чувствительность не зависит от параметров ФД, а если , она тем больше, чем меньше значение тем нового тока . При работе ФД с модулированным сигналом от объекта на фоне немодулированной фоновой засветки целесообразно, чтобы вольтовая чувствительность по постоянному току (от фона) была минимальна, а по переменному току (от объекта) — максимальна. Для этого используют трансформаторную или дроссельную схемы включения ФД, позволяющие получить большое сопротивление по переменному току (индуктивное сопро­тивление) и малое по постоянному (активное сопротивление) (рис. 2.10, г). Вольт — амперные характеристики для данного случая приведены на рис. 2.11, г [72].

По постоянному току сопротивление нагрузки должно быть малым, в иде­але режим короткого замыкания (; ; ). По пере­менному току сопротивление должно быть большим, в идеале — режим холостого хода (; ; ). При работе с разными нагруз­ками по постоянному и переменному токам определяет вольтовую чувстви­тельность, а — режим работы. При

.

Сопротивление нагрузки по постоянному току желательно делать намного меньше , вычисленного по формуле (2.24).

Пример. Определить максимальную вольтовую чувствительность по переменному току фотодиода ФД-1 при постоянном фототоке фона 0,001 А, который соответствует потоку излучения от фона = 0,03 лм (освещенность на фоточувствительной площадке 6000 лк). Темновой ток фотодиода при = 15 В = 15 мкА. (При пересчете потока фона из лм в Вт с учетом спектральных характеристик имеем: 0,03 лм = 0,0015 Вт.)

Ом.

должно быть выбрано много меньше вычисленного для осуществления минимальной вольтовой чувствительности по постоянному току ().

2. Определяем максимально допустимое значение нагрузки по переменному току

Ом.

3. Расчитываем максимальную вольтовую чувствительность по переменному току при Ом: В/лм;

В/Вт.

Фотогальванический режим работы ФД. В фотогальваническом режиме работы ФД (рис. 2.11, в) напряжение на р — n — переходе определяется током, протекающим в цепи нагрузки, согласно формуле (2.22).

Если , то ток во внешней цепи , а вместо в (2.22) можно подставить значение — напряжение холостого хода:

.

После преобразований найдем напряжение холостого хода

. (2.26)

Напряжение холостого хода (фото — ЭДС) ФД в фотогальваническом ре­жиме изменяется с ростом светового потока по логарифмическому закону и в пределе достигает значения, равного контактной разности потенциалов р — n — перехода. Зависимость — сложная и нелинейная, но диапа­зон изменения сигнала велик. Линейность наблюдают только на начальном участке при . Для получения максимальной вольтовой чувствитель­ности продифференцируем уравнение (2.26):

,

где — темновой ток насыщения при Ф = 0, = ; — сопро­тивление р — n — перехода при нулевом напряжении.

Для комнатной температуры (в В/Вт)

.

Из этого выражения можно получить приближенные формулы для и соответственно, удобные для практических расчетов:

;

.

Отсюда следует, что вольтовая чувствительность в фотогальваническом режиме уменьшается с увеличением потока излучения, падающего на ФД. Если известен максимальный фототок , то максимальное сопро­тивление нагрузки по постоянному току для линейной системы

. (2.27)

Следует иметь в виду, что оптимизировать нагрузку на весь диапазон работы ФД не удается, так как сопротивление р — n — перехода меняется от освещенности, и вольтовая чувствительность при этом условии

,

где — полное сопротивление нагрузки.

Если , то , т. e. не зависит от потока излу­чения. Если условие вычисления по формуле (2.27) не выполняется, то вольтовую чувствительность определяют по формуле:

,

где — ток нагрузки при постоянной засветке.

Пример. Определить интегральную вольтовую чувствительность для германиевого фото­диода ФД-1 при температуре 20 °С и постоянной засветке 6000 лк, фототок засветки равен 0,001 А, = 20 мА/лм.

Находим :

Ом.

Рассчитываем максимальный световой поток, падающий на фотодиод,

лм.

Определяем интегральную вольтовую чувствительность фотодиода в фотогальваническом режиме при условии :

мВ/лм.

Максимальная вольтовая чувствительность в фотодиодном режиме выше, чем в фотогальваническом. Определим отношение максимальных вольтовых чувствительностей в диодном и фото­гальваническом режимах в случае и :

;

.

Для комнатной температуры и напряжения питания фотодиода в диодном режиме 15 В отношение вольтовых чувствительностей n = 15/0,025 = 600.

Фотогальванический режим не требует источника питания и обеспечивает существенно меньшие шумы, т. е. большую обнаружительную способ­ность. ФД в фотогальваническом режиме обладают малым внутренним сопро­тивлением.

ФД в фотодиодном режиме обладают значительным внутренним сопро­тивлением и находят применение в цепях с большим сопротивлением нагрузки.

Работа с малыми сигналами в фотогальваническом режиме предъявляет особые требования к усилителю, у которого при больших коэффициентах усиления должен быть малый уровень шумов.

Постоянная времени и частотные характеристики ФД. Постоянная вре­мени ФД определяется временем пролета носителей от места их генерации под действием освещенности (в тонком поверхностном слое) до р — n — пере­хода, где они рекомбинируют, и постоянной времени схемной релаксации (RC — цепочка ФД). Постоянная времени RC — цепочки у обычных ФД не пре­вышает 10 -9 с, поэтому при глубине залегания р — n — перехода (толщине базы) в несколько мкм время переноса неосновных носителей составляет 10 -7 — 10 -8 с, что и определяет . Время же пролета зависит от структуры ФД и механизма переноса неосновных носителей, образующих фототок. При равномерном распределении примесей в р — и п — областях, когда «тянущее» поле р — n — перехода мало, преобладающим механизмом переноса носителей тока является диффузия. В этом случае в фотогальваническом режиме при одинаковой толщине освещаемой базы ФД меньшая постоянная вре­мени и большая граничная частота получаются при освещении p — полупровод­ника, так как коэффициент диффузии электронов (неосновных носителей, образующих фототок) значительно больше коэффициента диффузии дырок , а следовательно, время диффузии электронов соответственно короче.

Для германиевых ФД граничная частота (в МГц):

; ,

где — толщина базы из n — полупроводника, мкм; — толщина базы из р -полупроводника, мкм.

; .

При наличии значительных примесей в р — или n — областях (область с более высокой концентрацией примеси обозначают плюсом над буквой примеси: р + — п или р — п + постоянная времени и граничная частота определяются механизмом переноса носителей тока за счет диффузии в элек­трическом («тянущем») поле р — n — перехода, которое уменьшает на порядок. В таких ФД постоянная схемной релаксации () также уменьшается.

В диодном режиме при наличии обратного внешнего напряжения пита­ния наблюдается дрейф носителей тока в сильном электрическом поле, который ускоряет носители и значительно уменьшает постоянную времени ФД. На рис. 2.12 приведены экспериментальные частотные характеристики кремниевого ФД, у которого в фотогальваническом режиме граничная частота составляет 1 — 2 мГц, а в фотодиодном режиме при = 150 В доходит до 200 МГц [11].

Рис. 2.12. Экспериментальные частотные характеристики кремниевых фотодиодов: а, б — р — n структура — на основе кремния р — типа, б — на основе кремния n типа); в — р — i n — структура

——— — мкм; — — — — мкм

Форма частотной характеристики и зависят от параметров самого ФД, от приложенного обратного напряжения питания, от спектрального состава падающего на ФД излучения (меняется глубина проникновения излучения), от формы модуляции излучения и т. д.

Постоянная времени обычных ФД на основе Ge составляет 10 -5 с, на основе Si — 10 -6 с при напряжении питания порядка 20 В. Для умень­шения постоянной времени используют р — in — структуры с сильным , уменьшают толщину базы и т. д.

Частотная характеристика ФД может быть скорректирована в электрон­ном тракте, как об этом говорилось выше.

Фототок и спектральная чувствительность ФД. Фототок ФД образуется избыточными, генерированными при освещении неосновными носителями, дошедшими до р — n — перехода. Его значение входит в общее выражение для вольт — амперных характеристик ФД, поэтому в фотогальваническом режиме [4]

,

— плотность фототока, А/см 2 ; — спектральная плотность энергетической освещенности в квантах, квант/(см 2 с); — спектральный коэффициент поглощения, отн. ед.; — квантовый выход полупроводника, 1/квант; — доля нерекомбинированных носителей заряда, дошедших до р — n — перехода (коэффициент собирания), отн. ед.; — заряд электронов, А с.

; ,

, (2.28)

где — площадь фоточувствительной площадки, см 2 ; — спектраль­ный коэффициент отражения, отн. ед.

Из выражения (2.28) можно получить абсолютную спектральную харак­теристику чувствительности фотодиода (6 А/Вт):

.

Как видно из этого, спектральная чувствительность ФД определяется в основном свойствами полупроводника, из которого он изготовлен.

Спектральная характеристика ФД зависит от толщины базы (глубины залегания р — n — перехода) и от диффузионной длины неосновных носителей. Для повышения спектральной чувствительности в длинноволновой области увеличивают диффузионную длину носителей, а для повышения спектраль­ной чувствительности в коротковолновой области необходимо создать боль­шие тянущие электрические поля в базе, чтобы генерируемые в тонком слое носители разделялись тянущим полем и не успевали рекомбинировать, как это происходит в поверхностно — барьерных ФД.

Спектральная чувствительность ФД меняется при переходе от фотогаль­ванического режима к фотодиодному, так как меняется коэффициент соби­рания носителей (рис. 2.13, а). Значительное влияние на спектральную чувствительность ФД оказывает температура фоточувствительного слоя.

Рис. 2.13. Изменение спектральной чувствительности кремниевого ФД при переходе от фотогальванического режима к фотодиодному (а) и влияния на нее температуры (б)

Повышение температуры уменьшает ширину запрещенной зоны (для Si —10 эВ/гр и зависимость линейная, для Ge — квадратичная) и увеличивает коэффициент собирания носителей, что сметает границу спектральной чувствительности ФД в ИК — область (рис. 2.13, б) и, наоборот, понижение температуры уменьшает диффузионную длину неосновных носи­телей и коэффициент собирания, что смещает спектральную чувствительность в коротковолновую область.

Совокупный эффект этих механизмов для Si показывает рис. 2.13, б, из которого видно, что абсолютная спектраль­ная характеристика ФД на основе Si с понижением температуры понижается с одновременным смещением максимума в коротковолновую область.

На рис. 2.14 приведены спектральные характеристики неохлаждаемых ФД на основе InAs, GaAs, Si, Ge и охлаждаемого ФД на основе InSb. Инте­гральная чувствительность кремниевых ФД лежит в пределах 3 — 20 мА/лм, германиевых — в пределах 15 — 25 мА/лм.

Рис. 2.14. Спектральные характеристики охлаждаемых ФД из InSb (а), неохлаждаемых из InAs (б), GaAs; Si и Ge (в)

Энергетическая характеристика, шумы и обнаружительная способность ФД. Энергетическая характеристика ФД в диодном режиме линейна в широ­ких пределах. В фотогальваническом — нелинейна, но диапазон изменения сигнала велик. Линейность энергетической характеристики в фотогальвани­ческом режиме наблюдается только при условии .

Значение потока излучения, для которого сохраняется линейность энер­гетической характеристики в фотогальваническом режиме [18],

при ,

где — постоянный коэффициент, зависящий от материала ФД(для Ge ).

Так как сопротивление р — n — перехода меняется в зависимости от , невозможно подобрать оптимальное для всех случаев сопротивление нагрузки . Для случая с погрешностью 3 — 4% можно считать оптимальным сопротивление нагрузки

.

При работе ФД в диодном режиме с немодулированными потоками излуче­ния основным фактором, ограничивающим его обнаружительную способность, является обратный темновой ток источника питания, значение которого при комнатной температуре для разных типов ФД колеблется от единиц до десятков микроампер. Темновой ток германиевых ФД при изменении темпе­ратуры от 20 до 50°С меняется в три — пять раз (рис. 2.15, а), изменяется от влажности и давления, что не наблюдается у кремниевых ФД. Кроме того, достоинством кремниевых ФД является также возможность их работы с обратными напряжениями в сотни вольт, что недопустимо для германие­вых ФД.

Фотодиоды

Фотодиодом называют полупроводниковый диод, ток которо­го управляется световым потоком.

Фотодиод имеет двухслойную структуру, содержащую один р-п переход (рис. 3.19, а). Фотодиод может быть изготовлен на

основе кремния, германия, арсенида галлия и других полупровод­ников. В кинематографии используют кремниевые фотодиоды типа ФДК9 и ФДК155 (рис. 3.19, б). Они являются датчиками электрического сигнала, поступающего на вход усилителя при воспроизведении звука с фотографической фонограммы кино­фильма, т. е. преобразуют световые сигналы в электрические. Условное графическое обозначение фотодиода на электрических схемах показано на рис. 3.19, в.

Рис. 3.19. Фотодиод: а — устрой­ство; б — внешний вид; в — услов- в ное графическое обозначение

Генерация пар . носителей ///Ф

Неоснов-‘т ные носи- ■ф те ли

‘обр

Рис. 3.20. Работа фотодиода в фотодиодном режиме

Фотодиоды получили широкое распространение в разнооб­разной аппаратуре измерительной и вычислительной техники, в системах автоматики и контроля.

Различают два режима работы фотодиода: фотодиодный — с внешним источником питания, включенным в обратном направ­лении; при этом используется фоторезистивный эффект, в резуль­тате чего световой поток управляет обратным током фотодиода; фотогальванический — без внешнего источника питания; при этом используется фотогальванический эффект, в результате чего световой поток управляет вырабатываемой фотодиодом фо- то-э.д.с.

Работа фотодиода в фотодиодном режиме. На рис. 3.20 при­ведена схема включения фотодиода в фотодиодном режиме и

иллюстрация процессов, происходящих в нем под действием света.

При отсутствии светового потока и внешнего напряжения (ф = О, U 0) на р-п переходе, как и в обычном полупровод­никовом диоде, создается контактная разность потенциалов (знаки «-

При подаче на фотодиод обратного напряжения и отсутствии светового потока (Ф =0; U UDбР) через затемненный фото­диод проходит небольшой обратный ток р-п перехода, являю­щийся темновым током /т.

Под действием светового потока, который обычно направляют на тонкую область п-типа, в ней генерируются пары электрон — дырка. Количество неосновных носителей заряда (дырок) в «-области увеличивается, и поток их через р-п переход возраста­ет. Ток, протекающий через фотодиод при воздействии светового потока, является фототоком /ф и возрастает с увеличением свето­вого потока Ф. Таким образом, в фотодиодном режиме под воз­действием светового потока увеличивается обратный ток р-п пе­рехода, а обратное сопротивление, соответственно, уменьшается.

Ток фотодиода в этом режиме может зависеть от двух вели­чин — приложенного извне напряжения U и светового потока Ф. Поэтому основными являются два вида характеристик — вольт — амперные и световые. Схема для снятия характеристик фото­диода (рис. 3.21, а) содержит источник питания £, потенциометр и измерительные приборы. Кроме того, необходим источник све­тового потока — лампа накаливания J1 и диафрагма Д с регули­руемым диаметром отверстия для изменения светового потока.

Вольт-амперная характеристика — это зависимость тока фо­тодиода от приложенного напряжения при постоянном световом потоке (рис. 3.21, б):

/ф = f (i/) при Ф = const.

Вольт-амперная характеристика затемненного фотодиода (при Ф = 0) является характеристикой темнового тока /т = f (U) и соответствует обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода. При воздействии светового потока ток увеличивается; обратная ветвь сдвигается по оси обратного тока в сторону его увеличения тем сильнее, чем больше световой поток. Если строить вольт-амперные характеристики, не учиты­вая знаков тока и напряжения обратной ветви вольт-амперной характеристики полупроводникового диода, то они примут вид, показанный на рис. 3.21, б. При большем световом потоке характе­ристики располагаются выше.

Поскольку количество неосновных носителей заряда в л-об- ласти, проходящих чер.ез р-п переход, зависит главным образом от светового потока и очень мало зависит от приложенного

напряжения, то ток фотодиода почти не растет с увеличением напряжения; характеристики идут очень полого. Небольшое уве­личение тока с ростом напряжения объясняется тем, что увели­чение обратного напряжения приводит к расширению области р~п перехода и уменьшению за счет этого ширины базовой л-области. При этом меньшее количество дырок успевает реком­бинировать с электронами ‘по пути движения к р-п переходу, а большее число их принимает участие в создании тока через фото­диод. Превышение рабочего напряжения фотодиода может при­вести к пробою р~п перехода.

Фотодиоды и фотопроводники

Фотодиоды и фотопроводники

Фотодиоды. Принцип действия Фотодиод работает подобно обыкновенному сигнальному диоду. Отличие заключается в том, что фотодиод генерирует фототок, когда свет поглощается в области переходного слоя полупроводника. Это устройство обладает высокой квантовой эффективностью, а потому находит применение в решении многих задач. При работе с фотодиодами необходимо точно определить значения выходного тока и учесть чувствительность к падающему свету. На рисунке 1 показана схема фотодиода, состоящая из основных компонентов. формула 1 ф иф рис1 ф фифРисунок 1. Простейшая модель фотодиода. Photodetector — фотодетектор. Junction capacitance — емкость перехода. Series resistance – последовательное сопротивление. Shunt resistance – шунтирующее сопротивление. Load resistance – сопротивление нагрузки Терминология Чувствительность Чувствительность фотодиода может быть определена как отношение генерируемого фототока (IPD) к мощности падающего света (P) на заданной длине волны : форм2 фи ф Режим работы Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). Выбор режима зависит от требований к скорости работы и количества допустимого темнового тока (тока утечки). Режим фотопреобразователя В режиме фотопреобразователя применяется внешнее обратное смещение, которое заложено в основе детекторов серии DET. Ток в контуре определяет освещенность устройства; выходной ток линейно пропорционален входной оптической мощности. Применение обратного смещения увеличивает ширину обедненного перехода, создавая повышенную чувствительность и уменьшая емкость перехода. Таким образом возникают линейные зависимости некоторых величин. Работа в этих условиях, как правило, приводит к увеличению темнового тока; но на это влияет и сам материал фотодиода. (Примечание: детекторы DET работают в режиме обратного направления) Режим фотогенератора В фотогальваническом режиме смещение равняется нулю. Ток от устройства ограничен, напряжение в цепи возрастает. В основе этого режима заложен фотогальванический эффект — на нем же работают солнечные батареи. Количество темнового тока при работе в фотогальваническом режиме минимально. Темновой ток Темновым током называют ток утечки, который возникает при приложении напряжения смещения к фотодиоду. При работе в режиме фотопреобразователя наблюдается увеличение темнового тока, и его зависимость от температуры. Теоретически темновой ток удваивается при каждом повышении температуры на 10°C, а сопротивление шунта удваивается при повышении на 6°C. Конечно, большее смещение может уменьшить емкость перехода, но количество присутствующего тока утечки при этом увеличится. На темновой ток также влияет материал фотодиода и размер активной области. Обычно кремниевые фотодиоды создают низкий темновой ток по сравнению с устройствами из германия. В приведенной ниже таблице перечислены некоторые материалы, используемые в производстве фотодиодов и их относительные темновые токи, скорость, чувствительность и стоимость.

Материал Темновой ток Скорость Спектральный диапазон Стоимость
Силикон (Si) Низкий Высокая От видимого диапазона до ближней ИК Низкая
Германий (Ge) Высокий Низкая Ближняя ИК область Низкая
Фосфид галлия (GaP) Низкий Высокая От УФ до видимой области Варьируется
Арсенид галлия (InGaAs) Низкий Высокая Ближняя ИК область Варьируется
Антимонид арсенида индия (InAsSb) Высокий Низкая От ближней до средней ИК области Высокая
Энзимы арсенида галлия (InGaAs) Высокий Высокая Ближняя ИК область Высокая
Теллурид кадмия ртути (MCT, HgCdTe) Высокий Низкий От ближней до средней ИК области Высокая

Емкость перехода

Емкость перехода (Cj) является важной характеристикой фотодиода, так как от этого зависит ширина полосы пропускания и чувствительность фотодиода. Следует отметить, что большие площади полупроводников охватывают большую часть соединения и увеличивают зарядную емкость. При применении метода обратного смещения ширина полосы обеднения увеличивается, из-за чего снижается емкость заряда и увеличивается скорость работы.

Ширина полосы пропускания и отклик

Сопротивление нагрузки будет взаимодействовать с емкостью перехода фотоприемника, ограничивая таким образом полосу пропускания. Для наилучшего частотного отклика необходимо использовать ограничитель в 50 Ом в сочетании с коаксиальным кабелем на 50 Ом. Полоса пропускания (fBW) и время нарастания (tr) теоретически вычисляются через значения емкости перехода (Cj) и сопротивления нагрузки (RLOAD):

форм3 ф иф

Эквивалентная мощность шумов Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно (или близко) к единице. Это свойство необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать слабое излучение. Эквивалентная мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см 2 .

Термическое сопротивление Сопротивление нагрузки используется для преобразования генерируемого фототока в выходное напряжение (VOUT) для отображения на осциллографе: ф5 ф ифиВ зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может влиять на скорость срабатывания. Для максимальной пропускной способности рекомендуется использовать коаксиальный кабель на 50 Ом с подходящим резистором на 50 Ом, расположенном на противоположном конце кабеля. Сопоставляя кабель с его характеристическим импедансом можно свести к минимуму вызывной сигнал. Если пропускная способность не важна, можно увеличить напряжение для данного уровня освещенности, увеличив сопротивление нагрузки (RLOAD). При неверном расчете длина коаксиального кабеля может повлиять на итог эксперимента, поэтому рекомендуется выбирать кабель как можно более короткий. Шунтирующее сопротивление Сопротивление шунта представляет собой сопротивление нулевого смещения фотодиодного перехода. Идеальный фотодиод имеет бесконечное сопротивление шунта, но реальные значения могут варьироваться от десятка Ω до тысяч MΩ, а кроме того, шунтирующее сопротивление зависит от материала фотодиода. Например, детектор на основе арсенида галлия имеет шунтирующее сопротивление порядка 10 МОм, а германиевый детектор — в диапазоне до килоОм. Таким образом можно регулировать шумовой ток на фотодиоде. Тем не менее, для большинства задач высокая сопротивляемость оказывает малое влияние и обычно игнорируется. Последовательное сопротивление Последовательное сопротивление — это сопротивление полупроводникового материала, обычно им пренебрегают Последовательное сопротивление возникает из-за химических связей внутри фотодиода и используется в основном для определения линейности зависимостей некоторых характеристик фотодиода в условиях нулевого смещения. Общие принципы работы рис2 фиф

Рисунок 2. Схема обратного смещения (DET детекторы). Protection diode – защитный диод. Photodetector — фотоприемник. Voltage regulator – регулятор напряжения. C filter – RC-фильтр. V Bias – V-смещение

Детекторы серии DET основаны на схеме, изображенной выше. Детектор работает в режиме обратного направления, таким образом обеспечивается линейная зависимость чувствительности от приложенного света. Количество создаваемого фототока также зависит от падающего свете и длины волны. Эти данные можно вывести на осциллограф путем присоединения сопротивления нагрузки на выходе. Функция RC-фильтра состоит в том, чтобы с помощью него отделить любой высокочастотный шум, исходящий от сигнала источника питания. рис 3 ф ифРисунок 3.Схема фотоприемника с усилителем. Transimpedance Amp – управляемый током усилитель напряжения. Feedback – обратная связь Можно также использовать фотоприемник с усилителем, чтобы достичь высокого коэффициента усиления. Пользователь может выбрать режим работы. У каждого режима есть ряд преимуществ:

  • Фотогальванический режим: на фотодиоде поддерживается нулевое смещение, так как в точке A сохраняется тот же потенциал, что и в точке B. Это устраняет появление темнового тока.
  • Фотопроводящий режим: фотодиод включен в обратном направлении в схеме с обратным смещением, таким образом полоса пропускания увеличивается, сопровождаясь уменьшением емкости перехода. Коэффициент усиления детектора зависит от элемента обратной связи (Rf). Полоса пропускания детектора может быть рассчитана с использованием следующих величин: ф6 ф ифигде GBP — это коэффициент усиления усилителя, а C D — сумма емкости перехода и емкости усилителя.

Влияние на частоту модуляции

Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах.

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружение максимальны при:

PbS — и PbSe – фотокондуктивные детекторы

Широко используются фотопроводящие детекторы свинцового сульфида (PbS) и селенида свинца (PbSe) для обнаружения инфракрасного излучения от 1000 до 4800 нм. В отличие от стандартных фотодиодов, которые создают ток при воздействии света, электрическое сопротивление фотопроводящего материала уменьшается при освещении светом. Хотя PbS и PbSe-детекторы могут использоваться при комнатной температуре, температурные колебания будут влиять на темновое сопротивление, чувствительность и частоту отклика.

Рисунок 4. Базовая схема фотокондуктора. Active Area – рабочая площадь. Dark Resistance – темновое сопротивление. Ground — заземление. Bias Voltage – напряжение смещения. Output signal – выходной сигнал

Принцип действия

У фотопроводящих материалов падающий свет приводит к увеличению числа заряженных частиц в активной области, что уменьшает сопротивление детектора. Изменение сопротивления влечет к изменению регистрируемого напряжения, поэтому фоточувствительность принято выражать в единицах В / Вт. Пример рабочей схемы показан далее. Обратите внимание, что данная схема не предназначается для практических целей, так как в ней присутствует низкочастотный шум.

Механизм обнаружения основан на проводимости тонкой пленки активной области. Выходной сигнал детектора без падающего света определяется следующим уравнением:

В случае, когда свет попадает на активную область, изменение выходного напряжения определяется таким соотношением:

Частотный отклик

Для получения сигналов переменного тока фотопреобразователи должны подключаться в цепь, где присутствует импульсный сигнал. То есть при использовании этих детекторов в схемах с CW-источниками следует подключать оптический прерыватель. Чувствительность детектора (Rf) при использовании прерывателя рассчитывается уравнением:

Здесь fc — частота модуляции, R0 — отклик при нулевой частоте, τr — время нарастания импульса детектора.

Влияние на частоту модуляции

Сигнал фотокондуктора будет оставаться постоянным до предельного времени отклика. Многие детекторы, включая устройства на PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеют спектр шума 1 / f (т. е. шум уменьшается с увеличением частоты модуляции), что существенно влияет на время отклика на более низких частотах.

Детектор будет проявлять меньшую чувствительность на более низких частотах модуляции.

Частота и обнаружительная способность максимальны при:

Температурная устойчивость

Обнаружители состоят из тонкой пленки на стеклянной подложке. Эффективная форма и рабочая площадь фотопроводящей поверхности могут значительно варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. При этом рабочие характеристики прибора также меняются, в частности — чувствительность детектора изменяется в зависимости от рабочей температуры.

Температурные характеристики запрещенных полос в соединениях PbS и PbSe отрицательны, поэтому охлаждение детектора сдвигает диапазон спектрального отклика на область более длинных волн. Для достижения наилучших результатов рекомендуется использовать фотодиоды в стабильной среде.

Схема фотопроводника с усилителем

Из-за шума, характерного для фотопроводниковых материалов, эти устройства подключают в цепи переменного тока. Шум постоянного тока, возникающий при смещении, слишком высок что негативно отражается на работе детектора.

ИК-детекторы обычно подключаются в сети переменного тока для снижения шумов. Предусилитель необходим для поддержания стабильности и лучшей регистрации генерируемого сигнала.

На схеме видно, что операционный усилитель установлен в участке цепи обратной связи между точками А и В. Разность между двумя входными потенциалами увеличивается и сохраняется на выходе. Также важно обратить внимание на фильтр верхних частот, блокирующий любой сигнал постоянного тока. Кроме того, сопротивление нагрузочного резистора (RLOAD) должно равняться темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Напряжение блока питания (+ V) должно соответствовать величине напряжения, когда отношение сигнал-шум близко к единице. Некоторые задачи требуют большего напряжения, что провоцирует возрастание шумов.

Выходное напряжение вычисляется следующим образом:

Рисунок 5. Feedback resistor – резистор обратной связи

Отношение сигнал/шум

Так как шум от детектора обратно пропорционален частоте модуляции, на низких частотах шум достигает наибольшего значения. Выходной сигнал детектора линейно зависит от возрастающего напряжения смещения, но влиянием шума на небольшие смещения можно пренебречь. При достижении напряжение смещения, шум детектора будет линейно увеличиваться пропорционально напряжению. Если напряжение слишком высоко, шум будет увеличиваться экспоненциально, тем самым ухудшая отношение сигнал / шум. Чтобы получить наилучшее отношение, частоту модуляции и напряжение смещения необходимо регулировать.

Эквивалентная мощность шумов

Эквивалентная мощность шумов (NEP) создается напряжением RMS-сигнала, когда отношение сигнал-шум равно единице. Это необходимо, поскольку эквивалентная мощность шумов определяет способность детектора обнаруживать малое излучение. Мощность шумов прямо пропорциональна активной площади детектора и определяется следующим уравнением:

Где S/N – отношение сигнал-шум, Δf – ширина полосы шума, и энергия возбуждения измеряется в Вт/см 2 .

Темновое сопротивление
Темновое сопротивление — это сопротивление детектора без падающего света. Важно отметить, что темное сопротивление имеет тенденцию увеличиваться или уменьшаться с температурой. Охлаждение устройства увеличивает темное сопротивление.

Обнаружение (D) и удельная обнаружительная способность(D*)

Обнаружительная способность (D) — еще один критерий оценки работы фотоприемника. Это мера чувствительности, связанная обратной зависимостью с эквивалентной мощностью шума.

Высокие значения обнаружительной способности указывают на высокую чувствительность, что особенно важно для обнаружения сигналов слабого излучения. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающего света.

Эквивалентная мощность шумов детектора зависит от активной области детектора, что также влияет на чувствительность. Это затрудняет определение внутренних свойств пары детекторов. Чтобы проигнорировать ненужные зависимости, для оценки работы фотоприемника используется такое понятие как удельная способность к обнаружению (D *), которая не зависит от рабочей области детектора.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *