|
|
|
ФОТОДИОДЫФотодиоды — это полупроводниковые оптические датчики. Это понятие включает в себя даже солнечные батареи. Однако в этом сайте вопросы преобразования мощности рассматриваться не будут. В упрощенном виде принцип действия фотодиодов можно описать следующим образом. При воздействии излучения соответствующей частоты на прямо смещенный р-n переход (в котором положительный вывод батареи подключен к зоне р), ток через фотодиод возрастет незначительно по сравнению с темновым током. Другими словами, ток смещения в этом случае будет намного превышать ток, генерируемый светом. При обратном смещении р-n перехода (рис. 14.3) ток возрастает очень сильно. Столкновение фотонов с поверхностью фотодиода приводит к образованию пар электрон-дырка на обоих концах перехода. Вольтамперную характеристику фотодиода можно описать выражением: 
Объединяя уравнения получим выражение:
полностью описывающее работу фотодиода. Эффективность
прямого преобразования оптической мощности в электрический сигнал всегда
низкая. Обычно она лежит в пределах 5...10%, однако, в 1992 появилось сообщение
о разработке фотоэлементов, обладающих эффективностью порядка 25%. Правда, при
проектировании сенсоров фотоэлементы, как правило, не используются. Вместо
этого для повышения эффективности фотодиодов между р и п зонами диода вводят
дополнительный слой, обладающий высоким удельным сопротивлением (I-слой). Такие
диоды называются PIN-фотодиодами (рис. 14.5). Глубина, на которую фотон может
проникать внутрь фотодиода, определяется его длиной волны. От значения этой
величины зависит спектральная характеристика детектора (рис. 14.2).
Рис. 14.5. Структура PIN фотодиода, подсоединенного к
преобразователю ток-напряжение
В зависимости от назначения и конструкции все фотодиоды
можно разделить на следующие подгруппы:
1. PN фотодиоды, На внешнюю поверхность этих диодов
наносится слой из Si02 (рис. 14.6А). Такие фотодиоды обладают низким уровнем
темнового тока. Для увеличения быстродействия диодов увеличивают обедненную
зону, что позволяет снизить емкость перехода (рис. 14.6Б). Для улучшения
чувствительности диодов к УФ излучению снижают толщину р-слоя. На рис. 14.6В
отображен планар-ный диффузионный фотодиод имеющий низкую чувствительность к ИК
излучению. Однако при уменьшении длины волны его чувствительность значительно
возрастает; это объясняется тем, что толстый низкорезистивный слой п+ кремния
передвигает границу пп+ слоя ближе к обедненной зоне.
2. PIN фотодиоды (рис. 14.6Г). Они являются улучшенной
версией планар-ных диффузионных диодов с низкой емкостью. В них для увеличения
быстродействия между р и п слоями формируется дополнительный /слой, обладающий
высоким удельным сопротивлением. При обратном смещении перехода такие
устройства работают даже лучше. PIN имеют низкий ток утечки и высокое
напряжение пробоя.
3. фотодиоды Шотки (рис. 14.6Д). В них на n-слой напыляется
тонкий слой золота, позволяющий реализовать барьер Шотки. Из-за маленького
расстояния между внешней поверхностью и барьером чувствительность к УФ
излучению таких диодов очень высокая.
4. Лавинные фотодиоды (рис. 14.6Е). Свое название эта группа
диодов получила из-за следующего явления: Если к р-n переходу приложено обратное
напряжение, в обедненной зоне возникает сильное поле Это поле заставляет фотоны
двигаться с крупным ускорением, в результате чего их столкновение с атомами
приводит к образованию вторичных носителей зарядов, которые также ускоряются и
выбивают из атомов новые электроны и т.д. Благодаря такому лавинному процессу,
ток через фотодиод значительно возрастает. Такие устройства работают как
усилители, что делает их незаменимыми при детектировании очень низких уровней
светового излучения.
Рис. 14.6. Упрощенные структуры шести типов фотодиодов
Рис. 14.7. Фотоэлектрический режим работы фотодиода: А — способ
подключения диода к неин-вертирующему усилителю, Б — эквивалентная схема, В — нагрузочная
характеристика.
Существуют два основных режима работы фотодиодов:
фотоэлектрический и фотопроводящий. В первом случае к фотодиоду не
прикладывается никакого напряжения смещения. Это приводит к отсутствию
темнового тока, поэтому здесь присутствует только тепловой шум. Такой режим
дает возможность получить наи-учшую чувствительность при низких уровнях
излучения. Однако из-за увеличения емкости перехода ухудшаются быстродействие
диода и чувствительность к излучениям длинных длин волн.
На рис. 14.7А отображено включение фотодиода для работы в
фотоэлектрическом режиме. Здесь диод выполняет роль токового генератора,
вырабатывающего ток / (рис. 14.7Б). Нагрузочный резистор Rb, стоящий на входе
ОУ, определяет напряжение на выводах фотодиода и наклон нагрузочной
характеристики (рис. 14.7В).
В быстродействующих устройствах использование фотодиода в
фотоэлектрическом режиме невозможно (из-за его большой емкости перехода С). При
работе фотодиода с резистивной нагрузкой, как отображено на рис. 14.7А, его
полоса пропускания ограничивается, в основном, внутренней емкостью С. Фотодиод,
фактически, является источником тока, а резистор R, обладающий крупным
сопротивлением, и емкость перехода шунтируют его. Значение емкости С в
зависимости от площади фотодиода лежит в интервале 2...20000 пФ. Параллельно ей
подключена входная емкость ОУ (на рисунке не отображена), поэтому общая емкость
Сравна сумме двух емкостей. Сопротивлением диода, как правило, можно
пренебречь, поскольку оно почти всегда гораздо ниже нагрузочного сопротивления
Rb, поэтому RL*=Rb-Частотная характеристика схемы определяется ее входными
цепями. Частота излома АЧХ и выходное напряжение определяются выражениями [4]:
Из этих выражений видно, что при расчете такой схемы всегда
приходится искать компромисс между коэффициентом усиления и полосой
пропускания. Это связано, с тем увеличение Rb приводит, с одной стороны, к
росту коэффициента усиления, а, с другой стороны, к уменьшению частоты/ Это
противоречие возникает из-за того, что напряжение сигнала подается не только на
резистивную нагрузку, но и на входную емкость С = С+Соу Поэтому желательно
разработать такую схему включения фотодиода, в той напряжение поступало бы
только на резистор и не заряжало бы емкости. Вариант такой схемы отображен на
рис. 14.8А. По своей сути эта схема является линейным преобразователем тока в
напряжение. ОУ при помощи резистора ОС RL преобразует ток диода в выходное
напряжение. Конденсатор CL введен в схему для компенсации сдвига фаз. В
идеальном усилителе напряжения на обоих входах ОУ должны иметь одинаковые
значения, поэтому при таком включении инвертирующий вход иногда называется
виртуальной землей. Таким образом, в этой схеме фотодиод работает при нулевом
напряжении на его выводах, что позволяет предотвратить заряд конденсатора и
улучшить линейность преобразователя. Поскольку наклон линии обратно пропорционален
коэффициенту усиления А ОУ с разомкнутой ОС, нагрузочная линия должна
виртуально совпадать с осью тока. Это проиллюстрировано на рис. 14.7Б.
Рис. 14.8. Применение преобразователя тока в напряжение (А)
и АЧХ двух схем включения фотодиодов (Б)
Однако на практике из-за большого, но конечного значения
коэффициента усиления ОУ на выводах диода появляется небольшое напряжение. Такая индуктивная нагрузка и емкость входной цепи образуют колебательный контур
с резонансной частотой/ (рис. 14.8Б), наличие того может на определенных
частотах привести к возникновению колебаний выходного сигнала (рис. 14.9)
нестабильности работы схемы. Для повышения стабильности схемы в цепь ОС
параллельно резистору ставят компенсационный конденсатор CL. Величина этого
конденсатора определяется при помощи выражения:
При использовании фотодиодов для детектирования низких уровней света необходимо внимательно рассчитывать шумовой порог. В фотодиодах основными являются два типа шумов: дробовой шум и шум Джонсона (см. раздел 5.9 главы 5). Также надо учитывать шумы ОУ и его навесных элементов. При работе фотодиода в фотопроводящем режиме на него подается обратное напряжение смещения. Это ведет к расширению обедненной зоны, снижению емкости перехода, уменьшению последовательного сопротивления, сокращению времени нарастания сигнала и формированию линейной зависимости фототока от интенсивности излучений в широком диапазоне измеряемых значений. При попадании электронов в зону проводимости, они начинают лететь в сторону положительного полюса батарей. Соответственно, созданный поток дырок направляется к отрицательному полюсу. Это означает появление в цепи фотодиода тока i . В темноте ток утечки не зависит от приложенного напряжения, а причиной его возникновения является тепловая генерация носителей зарядов. На рис. 14.4А отображена эквивалентная электрическая схема обратно смещенного фотодиода, состоящая из двух источников тока и цепи. Процесс оптического детектирования заключается в прямом преобразовании оптической энергии (в виде потока фотонов) в электрический сигнал (поток электронов). Если вероятность того, что фотон, обладающий энергией hv, выбьет с поверхности детектора электрон, средняя скорость формирования электронов определяется выражением. 
Рис. 14.3. Структура фотодиода
где Р — оптическая мощность падающих лучей. При постоянной
средней скорости формирования электронов вследствие воздействия на поверхность
детектора потока фотонов, этот процесс носит случайный характер и подчиняется
статистическому закону Пуассона. Поэтому вероятность образования т электронов в
течение интервала измерения г находится при помощи формулы:
Рис. 14.4. А — эквивалентная схема фотодиода, Б — его
воль-тамперная характеристика
Статистические соотношения используются для определения
минимального уровня детектирования сигнала, а, значит, и для нахождения
чувствительности датчика. Однако, рекомендуется отметить, что электрический ток
пропорционален оптической мощности падающего на детектор излучения:
где е — заряд электрона. Изменение входной мощности на АР
(к примеру, из-за модуляции интенсивности в датчике) приводит к изменению выходного
тока на А. Поскольку мощность пропорциональна квадрату тока, выходная
электрическая мощность детектора связана с входной оптической мощностью
квадратичной зависимостью, поэтому фотодиоды иногда называют квадратичными
преобразователями.
На рис. 14.4Б отображена вольтамперная характеристика типового
фотодиода. Если к диоду при разомкнутой цепи подключить вольтметр, обладающий
высоким входным импедансом, можно увидеть, что при увеличении оптической
мощности, напряжение меняется по нелинейной (логарифмической) зависимости. При
коротком замыкании цепи (V= 0), когда диод подключается к преобразователю
ток-напряжение — ток связан с оптической мощностью линейной зависимостью. Поэтому частота излома АЧХ, на самом деле, определяется как:
где А — коэффициент усиления ОУ с разомкнутой ОС. Очевидно,
что в этой схеме частота излома АЧХ увеличичивается по сравнению с/, в А раз. рекомендуется отметить, что с ростом частоты коэффициент усиления А падает, а
виртуальная нагрузка фотодиода становится индуктивной. Это происходит из-за
фазового сдвига коэффициента усиления А. В большей части эффективного
частотного диапазона усилителя коэффициенте имеет отставание по фазе, равное
90°. Когда усилитель инвертирует фазу на 180°, фазовое отставание коэффициента
А превращается в опережение на 90°, что характерно для индуктивного импеданса. Однако при увеличении обратного смещения возрастает темновой ток, что ведет к
усилению дробового шума. На рис. 14.10А отображена схема включения фотодиода для
работы в фотопроводящем режиме, а на рис. 14.10 Б приведена нагрузочная
характеристика диода. Обратное смещение фотодиода сдвигает нагрузочную линию в
третий квадрант, где линейность вольтам-перной характеристики выше, чем при
работе в фотоэлектрическом режиме. Линия нагрузки пересекает ось напряжений в
точке, соответствующей напряжению смещения Е, а ее наклон обратно
пропорционален коэффициенту усиления ОУ
Рис. 14.9. Выходной сигнал фотодиода без использования
компенсационной цепи.
Верхний предел полосы пропускания фотодиода в фотопроводящем режиме достигает сотен мегагерц, что сопровождается увеличением отношения сигнал/шум. 
Рис. 14.10. Фотопроводящий режим работы фотодиодов: А — схема,
Б — нагрузочная характеристика
.
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
