Оглавление
Фотодиоды — популярные в радиоэлектронике элементы, выступающие детекторами света — они генерируют ток, пропорциональный силе освещения. Чтобы добиться такого эффекта, их необходимо создать так, чтобы освещение достигало p-n перехода, а он должен быть правильно поляризован. Обычный диод с прямой поляризацией не будет работать как оптический детектор. Обратнополяризованные и бесполяризованные различаются по своим свойствам. Более того, чтобы усиливать измерительный сигнал фотодиода, необходимо помнить о его паразитных параметрах. Поэтому, несмотря на кажущуюся простоту упомянутых выше компонентов, стоит поближе узнать их свойства, чтобы лучше их использовать.
Чтобы лучше понять работу фотодиодов, стоит кратко напомнить теорию явлений, происходящих в PN переходе. Как известно, в области полупроводника p-типа основными носителями являются дырки, а в области n-типа — свободные электроны. Из-за различий в концентрации они подвергаются диффузии, то есть дырки движутся из p-области в n, а электроны движутся в противоположном направлении. Через p-n переход протекает ток, называемый диффузионным. Носители, перешедшие на «другую сторону», воссоединяются там с теми, кто остается. В результате создается избыток положительных ионов в области n-типа и отрицательных ионов в области p-типа. В результате в зоне перехода создается двойной слой некомпенсированных зарядов, называемый барьерным слоем или обедненной зоной.
Следует также помнить что легирование — не единственный источник носителей заряда в полупроводнике — за счет тепловых движений хаотично генерируются электронно-дырочные пары. Это, в свою очередь, приводит к наличию неосновных носителей, то есть электронов в p-области и дырок в n-области, которые находятся под влиянием электрического поля, возникающего в обедненной области. Под его воздействием они переходят на «другую сторону». Следовательно, через них течет и ток несущей неосновных носителей.
Pn-переход поддерживает баланс между диффузионным током и током плавающего состояния, в результате чего их чистый ток равен нулю. Однако при попадании света на переход в результате поглощения фотонов образуются и электронно-дырочные пары. Если это происходит в области обеднения или вблизи нее, на эти носители воздействует ее поле, и через переход течет ток, называемый фототоком. Он направлен так же, как и дрейфовый ток. Область истощения имеет решающее значение в фотодиодах. Расширив его, можно повысить их чувствительность, поскольку в пределах действия электрического поля при той же интенсивности света окажется больше носителей. Благодаря этому через переход будет течь более высокий фототок.
Режимы работы фотодиода
Сигнал с них представляет собой ток, приблизительно линейно пропорциональный интенсивности падающего света. В базовой схеме фотодиод с последовательно включенным резистором преобразуется в напряжение, которое далее обрабатывается.
Связь между током и интенсивностью света зависит от поляризации диода. На этом основании выделяют два режима работы: фотоэлектрический и фотопроводящий. В первом фотодиод неполяризован, во втором — обратнополяризован. В определенных обстоятельствах фотодиоды, работающие в фотоэлектрическом режиме, будут работать лучше, чем в последнем. Чтобы оправдать это, вначале объясним, что такое «темновой» ток.
Он протекает через фотодиод, даже когда он не освещен. В результате его полный ток представляет собой сумму фототока и темнового тока. Возникновение последнего является нежелательным явлением, поскольку ограничивает возможности фотодиодов по измерению слабой освещенности — освещение малой интенсивности создает фототок с интенсивностью, аналогичной темновому току, что снижает точность измерения. Для решения этой проблемы используются различные методы, которые включают вычитание расчетного темнового тока из тока фотодиода. Однако их эффективность невысока, поскольку они не способны учитывать случайные изменения темнового тока. Вообще, измерение слабого света, при котором интенсивность фототока сравнима с темновым током и даже ниже, чревато большой погрешностью.
Фотоэлектрический и фотопроводящий режим
Преимуществом фотоэлектрического режима является уменьшение темнового тока. В «обычных» диодах подача обратного напряжения смещения увеличивает обратный ток. Аналогичная зависимость справедлива и для темнового тока в фотодиодах – чем выше напряжение обратного смещения, тем она больше, а без смещения она устраняется. Поэтому фотоэлектрический режим рекомендуется там, где измеряется низкая интенсивность света.
При обратной поляризации область обеднения расширяется. В случае фотодиодов это имеет два преимущества.
- Во-первых, это повышает их чувствительность.
- Во-вторых, более широкая область обеднения уменьшает емкость перехода фотодиода.
В результате фотопроводящий режим обеспечивает более широкую полосу пропускания и более предпочтителен, когда необходимо повысить способность фотодетектора реагировать на быстрые изменения интенсивности света. Кроме того, обратное смещение увеличивает линейный диапазон характеристик фотодиода.
Эквивалентная модель фотодиода
Данная модель характеризует свойства фотодиода. Стоит проанализировать отдельные её элементы, чтобы лучше понять, как на практике работают устройства такого типа. Хотя применяются различные модели замены фотодиода, они обычно включают в себя 4 элемента: источник тока, pn-переход отмеченный символом диода, конденсатор и резистор соединенные параллельно, и резистор включенный последовательно. Источник тока представляет собой фототок, генерируемый при освещении перехода.
Параллельный конденсатор характеризует емкость фотодиодного перехода в зависимости от площади обеднения. Это важный параметр, поскольку он влияет на частотную характеристику элемента – чем меньше емкость pn-перехода, тем лучше фотодиод работает на более высоких частотах. Этот конденсатор часто маркируется как переменный, что напоминает нам — емкость перехода зависит от напряжения смещения — при большем напряжении смещения в обратном направлении достигается большая пропускная способность.
Шунтирующий резистор, подключенный идеально параллельно, должен иметь бесконечное значение сопротивления. Это гарантирует что полный ток от источника будет протекать через нагрузку, а соотношение тока к напряжению будет полностью определяться ее сопротивлением. Но если сопротивление шунтирующего резистора близко к сопротивлению нагрузки, оно начинает более заметно влиять на соотношение ток-напряжение. Это также увеличивает тепловой шум.
В действительности оно очень велико, достаточно чтобы не влиять негативно на работу фотодиода — например в кремниевых, шунтирующее сопротивление обычно составляет порядка сотен и даже тысяч МОм. Оно также имеет большое значение в случае фотоприемников из арсенида индия-галлия, тогда как для германиевых фотодиодов составляет лишь несколько кОм.
Последовательный резистор представляет собой сопротивление контактов и полупроводникового материала диода. Обычно он имеет значение нескольких десятков Ом. Его влияние на работу фотодиода невелико – только чрезмерное значение может ухудшить линейность характеристики. Это связано с тем что фототок, протекающий через этот резистор, вызовет падение напряжения, которое начнет смещать переход вперед.
Фотодиодное усиление сигнала
Для усиления очень слабого тока, генерируемого фотодиодом, обычно используются трансимпедансные усилители. Это компоненты, специально разработанные для преобразования сигнала тока в сигнал напряжения, при этом отношение тока к напряжению определяется номиналом резистора обратной связи усилителя. Принципиальная схема измерения тока фотодиода представлена на рисунке.
На схеме видно что поскольку неинвертирующий вход усилителя подключен к земле, с учетом виртуального короткого замыкания входов усилителя, то есть предположения о том, что напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах равны, можно также предположить что инвертирующий вход находится под потенциалом земли. Поэтому фотодиод неполяризован и работает в фотоэлектрическом режиме. Прирост фототока в этой схеме зависит от величины ВЧ сопротивления. Конденсатор CF необходим для компенсации емкости перехода фотодиода, чтобы избежать нестабильности усилителя и связанных с этим нежелательных колебаний.
