Когда следует использовать фотоэлектрический и фотопроводящий режимы при применении фотодиодов? В этой статье мы обсудим детали этих режимов и варианты проектирования, связанные с ними.
Основной выходной сигнал фотодиода – это ток, который течет через устройство от катода к аноду и приблизительно линейно пропорционален освещенности (однако имейте в виду, что на величину фототока также влияет длина волны падающего света). Фототок преобразуется в напряжение для дальнейшей обработки сигнала последовательным резистором или усилителем.
Детали отношения света к току фотодиода будут варьироваться в зависимости от условий смещения диода. В этом суть различия между фотоэлектрическим (фотогальваническим) режимом и фотопроводящим режимом: в фотоэлектрической реализации схема, окружающая фотодиод, поддерживает анод и катод под одним и тем же потенциалом; другими словами, диод смещен в ноль. В светопроводящей реализации схема, окружающая фотодиод, создает обратное смещение, что означает, что катод находится под более высоким потенциалом, чем анод.
Основная неидеальность, влияющая на фотодиодные системы, называется темновым током, потому что это ток, который течет через фотодиод даже при отсутствии освещения. Полный ток, протекающий через диод, представляет собой сумму темнового тока и фототока. Темновой ток ограничит способность системы точно измерять низкие интенсивности света, если эти интенсивности создают фототоки с величиной, аналогичной величине темнового тока. Вредное влияние темнового тока можно уменьшить с помощью методов, которые вычитают ожидаемый темновой ток из тока диода. Однако темновой ток сопровождается темновым шумом, то есть формой дробового шума, наблюдаемой как случайные изменения величины темнового тока. Система не может измерять интенсивность света, фототок которой настолько мал, что теряется в темном шуме.
Следующая схема представляет собой пример реализации фотоэлектрической системы.
Эта схема операционного усилителя называется трансимпедансным усилителем (TIA). Он разработан специально для преобразования токового сигнала в сигнал напряжения, при этом отношение тока к напряжению определяется значением резистора обратной связи RF. Неинвертирующий входной терминал операционного усилителя заземлен, и если мы применим предположение виртуального короткого замыкания, мы знаем, что инвертирующий входной терминал всегда будет примерно на 0 В. Таким образом, катод и анод фотодиода поддерживаются при 0 В.
Преимущество фотоэлектрического режима – снижение темнового тока. В нормальном диоде приложение напряжения обратного смещения увеличивает обратный ток, потому что обратное смещение уменьшает ток диффузии, но не уменьшает ток дрейфа, а также из-за утечки. То же самое происходит и с фотодиодом, но обратный ток называется темновым током. Более высокое напряжение обратного смещения приводит к увеличению темнового тока, поэтому, используя операционный усилитель для удержания фотодиода примерно при нулевом смещении, мы практически исключаем темновой ток. Таким образом, фотоэлектрический режим хорош для приложений, которым необходимо максимизировать производительность при низкой освещенности.
Чтобы переключить указанную выше схему детектора в режим фотопроводимости, мы подключим анод фотодиода к источнику отрицательного напряжения, а не к земле. Катод все еще находится под напряжением 0 В, но анод находится под некоторым напряжением ниже 0 В, таким образом, фотодиод имеет обратное смещение.
Приложение напряжения обратного смещения к pn переходу приводит к расширению области обеднения. Это имеет два положительных эффекта в контексте применения фотодиодов. Во-первых, более широкая область истощения делает фотодиод более чувствительным. Таким образом, режим фотопроводимости – хороший выбор, когда вы хотите произвести больший выходной сигнал относительно освещенности.
Во-вторых, более широкая область истощения снижает емкость перехода фотодиода. В схеме, показанной выше, наличие сопротивления обратной связи и емкости перехода (наряду с другими источниками емкости) ограничивает полосу пропускания замкнутого контура системы. Как и в случае с базовым RC-фильтром нижних частот, уменьшение емкости увеличивает частоту среза. Таким образом, режим фотопроводимости обеспечивает более широкую полосу пропускания и предпочтителен, когда вам нужно максимизировать способность детектора реагировать на быстрые изменения освещенности.
Наконец, обратное смещение также расширяет диапазон линейной работы фотодиода. Если вас беспокоит точность измерений при высокой освещенности, вы можете использовать режим фотопроводимости, а затем выбрать напряжение обратного смещения в соответствии с требованиями вашей системы. Но помните, что большее обратное смещение также увеличивает темновой ток.
Этот график, взятый из их руководства по кремниевым фотодиодам, дает вам представление о том, насколько вы можете расширить область линейного отклика фотодиода, увеличив напряжение обратного смещения.
Итак, мы выяснили – на характеристики детекторной системы на основе фотодиода влияют условия смещения фотодиода. Фотопроводящий режим использует обратное смещение и обеспечивает более высокую чувствительность, более широкую полосу пропускания и улучшенную линейность. Фотоэлектрический режим использует нулевое смещение и минимизирует темновой ток.
© digitrode.ru