Принцип работы

На рис.2 представлена схема, отражающая принцип работы детекторов с обратно смещенным фотодиодом. Величина генерируемого фототока зависит от светового потока и длины волны излучения. При подключении нагрузочного сопротивления данную величину можно наблюдать с помощью осциллографа. Функция RC-фильтра заключается в подавлении высокочастотного шума источника питания.


Рис.3 Схема детектора с усилителем

При использовании схемы фотоприемников с усилителем пользователь может выбирать режим работы фотодиода (фотогальванический или фотодиодный). Каждый режим обладает своими преимуществами:

Фотогальванический режим: в фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается напряжение, и потенциал на входе A операционного усилителя равен потенциалу в точке B. При работе в таком режиме темновой ток пренебрежимо мал.

Фотодиодный режим: в фотодиодном режиме к p-n переходу приложено напряжение обратного смещения, что уменьшает емкость перехода и увеличивает полосу пропускания. Усиление зависит от резистора обратной связи (R f). Ширина полосы пропускания детектора определяется по формуле:


Где GBP – это произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ, C D – сумма емкости перехода и усилителя.

Частота модуляции

Спектральная плотность шума большинства детекторов, включая PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеет зависимость вида 1/f (шум уменьшается при увеличении частоты), что оказывает значительное влияние на постоянную времени в области низких частот.

Таким образом, частота модуляции (скорость изменения интенсивности) излучения оказывает влияние на чувствительность прибора. Оптимальные значения характеристик фотоприемника достигаются при частоте:

Срок службы батареи

При использовании фотодетектора, работающего от батареи, важно понимать, каков срок службы аккумулятора и как он влияет на работу детектора. Выходной ток детектора прямо пропорционален потоку падающего излучения. Большинство пользователей преобразуют этот ток в напряжение с помощью согласованной нагрузки. Величина сопротивления приблизительно равна коэффициенту усиления схемы. Для высокоскоростных детекторов, например, таких как , необходимо использовать нагрузку с сопротивлением 50 Ом для согласованности с импедансом стандартных коаксиальных кабелей. Это позволит уменьшить обратные отражения и улучшить качество выходного сигнала.

Срок службы батареи напрямую зависит от тока в детекторе. Большинство производителей батареек выражают срок службы батарейки в мА*ч (миллиампер-час). Например, если аккумулятор рассчитан на 190 мА*ч, он будет работать в течении 190 ч при потреблении тока 1.0 мА.

Пусть источник, излучение которого падает на детектор, работает на длине волны 780 нм со средней мощностью 1мВт. Чувствительность детектора на данный длине волны 0.5 А/Вт. Фототок можно рассчитать по формуле:


Таким образом срок службы батареи равен:


или 16 дней непрерывной работы. При уменьшении средней мощности падающего излучения до 10 мкВт, срок службы той же батарейки увеличится до 4 лет непрерывной работы. При использовании рекомендуемой согласованной нагрузки в 50 Ом, фототок (0.5 мА) преобразуется в напряжение:Если величина мощности падающего излучения уменьшится до 40 мкВт, то выходное напряжение станет равно 1 мВт. Для некоторых измерительных устройств, данное значение может оказаться слишком маленьким, поэтому необходимо искать компромисс между сроком службы батареи и точностью проводимых измерений.

При использовании детекторов на батарейках необходимо использовать излучение малой интенсивности, учитывая минимально необходимый уровень напряжения. Также важно помнить, что батарейка перестанет производить ток не сразу, как только приблизится к концу срока своей службы. Сначала напряжение батарейки упадет, и электрический потенциал, прикладываемый к фотодиоду уменьшится. А это в свою очередь приведет к увеличению времени отклика детектора и уменьшению ширины полосы пропускания.

Таким образом, важно убедиться, что батарейка обеспечивает достаточное напряжение для оптимальной работы детектора.

Для задач, в которых детекторы , облучаются непрерывно источником достаточно высокой мощности, или постоянная замена батарей является неприемлемой, компания Thorlabs предлагает адаптер и источник питания. Недостатком этого варианта является шум, который добавится к выходному сигналу и может увеличить погрешность измерений.

Детекторы на основе сульфида свинца (PbS) и селенида свинца (PbSe) широко используются для регистрации излучения в диапазоне от 1000 до 4800 нм. Тогда как фотодиод генерируют ток под воздействием света, у фоторезистора при облучении изменяется величина сопротивления. Хотя PbS и PbSe детекторы можно использовать при комнатной температуре, температурные флуктуации будут оказывать воздействие на темновое сопротивление, чувствительность и быстродействие прибора.

Принцип работы

При поглощении света в фотопроводящем материале возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости и уменьшению сопротивления. Изменение сопротивления приведет изменению величина измеряемого напряжения. На рис. представлена схема, отражающая принцип работы детекторов на основе фотопроводящих материалов. Следует отметить, что представленная схема не рекомендуется для применения на практике из-за присутствия низкочастотных шумов.


Механизм детектирования основан на проводимости тонкой пленки светочувствительного элемента. Сигнал на выходе детектора при отсутствии падающего излучения определяется уравнением:

Изменение напряжения на выходе ΔV OUT происходит из-за изменения сопротивления ΔR Dark , когда свет попадает на активную область датчика:

Частотная характеристика

Для детекторов зависимость чувствительности от частоты модуляции света имеет вид:


Где f c – частота модуляции, R 0 – чувствительность при частоте 0 Гц, τ r – время нарастания.

Воздействие температуры

Светочувствительный элемент PbS и PbSe детекторов представляет собой тонкую пленку на стеклянной подложке. Форма и активная область фотопроводящего элемента меняются в зависимости от условий эксплуатации, таким образом изменяя и другие характеристики. В частности, чувствительность детектора будет изменяться в зависимости от рабочей температуры.

Охлаждение детектора сместит спектральный диапазон чувствительности в область более длинных волн. Для получения оптимальных результатов рекомендуется использовать представленные детекторы в условиях контроля параметров окружающей среды.

Схема детектора на основе фотопроводящего материала с усилителем

Из-за шумовых характеристик предпочтительнее включение фоторезистора в цепь переменного тока. При включении фоторезистора в цепь постоянного тока шум, обусловленный приложенным напряжением, будет увеличиваться с ростом напряжения, таким образом, ограничивая чувствительность детектора. Для поддержания стабильности характеристик и получения высоких значений коэффициента усиления сигнала необходимо использовать предусилитель.


Согласно схеме (рис. выше), операционный усилитель (ОУ) стремится сравнять потенциалы в точках A и B с помощью контура обратной связи. Разница напряжений на входе ОУ усиливается и передается на выход. Следует отметить, что высокочастотный фильтр на входе усилителя не пропускает сигнал постоянного тока. Кроме того, нагрузочное сопротивление должно быть равно темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Величина напряжения источника питания (+V) должна быть такой, чтобы величина отношения сигнал/шум была оптимальной и приближалась к единице. Некоторые задачи требуют более высокого уровня напряжения, что приведет к увеличению уровня шума. Напряжение на выходе определяется по формуле:

Отношение сигнал/шум

Поскольку уровень шума детектора обратно пропорционален частоте модуляции сигнала, шум будет возрастать на малых частотах. Сигнал на выходе детектора линейно увеличивается при увеличении напряжения смещения, однако шумовые характеристики мало зависят от напряжения смещения при его низком уровне. При достижении определенного уровня напряжения смещения, шум детектора начнет линейно увеличиваться с ростом напряжения. При высоких значениях напряжения шум начнет расти экспоненциально, уменьшая отношение сигнал шум. Для обеспечения оптимального уровня сигнал/шум необходимо регулировать частоту модуляции сигнала и напряжение смещения.

Темновое сопротивление

Темновое сопротивление – это сопротивление детектора при отсутствии освещения. Следует отметить, что темновое сопротивление будет увеличиваться или уменьшается при изменении температуры. Охлаждение детектора будет снижать величину темнового сопротивления.

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

Обнаружительная способность (D) - это еще одна величина, используемая для оценки эффективности фотоприемника. Обнаружительная способность характеризует чувствительность и обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума (NEP):


Чем выше значение обнаружительной способности, тем выше чувствительность, то есть детектор способен регистрировать слабые сигналы. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающих фотонов.

NEP детектора, а следовательно и его обнаружительная способность зависят от активной области, поэтому сравнение свойств двух детекторов является непростой задачей. Чтобы избавится от этой зависимости, используют удельную обнаружительную способность (D*), которая не зависит от площади детектора и используется для оценки эффективности фотоприемника. В уравнении ниже, А – площадь фоточувствительной области.

Двумерные позиционно-чувствительные датчики

Обзор

Двумерные позиционно-чувствительные датчики позволяют измерить положение, расстояние перемещения или углы падения пучка, а также они могут использоваться в качестве обратной связи в системах юстирования, например, для контроля положения зеркал, фокусировки микроскопа, и т.д. Детектор определяет положение светового пятна на основе пропорционального распределения фототока, который генерируется в месте падения светового луча. Существует два типа двумерных позиционно-чувствительных датчиков: с двухсторонним расположением электродов и с четырехсторонним расположением электродов.

Датчики с двухсторонним расположением электродов обладают резистивными слоями, нанесенными с обеих сторон подложки. Датчик имеет четыре вывода. Фототок распределяется на две входных и две выходных компоненты. Распределение выходных токов определяет положение координаты Y, а распределение входных –координаты X положения пучка.


Датчики с четырехсторонним расположением электродов обладают одним чувствительным резистивным слоем, расположенным с одной стороны подложки. Такие датчики значительно дешевле датчиков с двухсторонним расположением электродов. Однако линейность отклика этих датчиков падает по мере удаления пучка от центра. Это связано с расположением анодов по периметру сенсора, особенно нелинейность заметна в углах датчика, где аноды приближаются друг к другу. Компания Thorlabs использует один из вариантов датчиков с четырехсторонним расположением электродов – датчик в форме "подушечки". Модель такого датчика представлена на рисунке сверху. Аноды перемещаются в углы датчика, фигурная форма электродов обеспечивает компенсацию искажений сигнала вблизи периметра. Такая модель обладает линейностью на уровне датчиков с двухсторонним расположением электродов, но значительно меньшей стоимостью.

Принцип вычисления положения луча

PDP90A детектор от компании Thorlabs оснащен схемой для вычисления Δx, Δy и суммы сигналов по формулам:


Согласно этим формулам расстояние в единицах измерения длины можно вычислить с помощью уравнений:


где x и y – это расстояния от центра до края сенсора, Lx и Ly – характерные размеры резистивного слоя. Для PDP90A детектора Lx = Ly = 10 мм. Следует отметить, что размеры резистивного слоя не соответствуют размерам активной области датчика. Активная область обозначена на рисунке серым цветом.

Погрешность определения положения

В отличие от квадрантных датчиков, где требуется перекрытие всех четырех активных областей, представленные датчики позволяют получить информацию о нахождении пучка в любой точке детектора не зависимо от формы, размера и распределения мощности в пучке. Датчик определяет положение центра пятна света до тех пор, пока пятно находится на светочувствительной области. Если часть светового пятна покидает светочувствительную поверхность, это приведет к сдвигу центра, и измерения станут ненадежными.

К ошибкам в измерении положения пучка также может привести уровень внешней освещенности. Для уменьшения погрешностей измерения лучше проводить в темноте. Использование фокусирующей оптики и диафрагм, также позволит снизить ошибки, связанные с внешней освещенностью.

Разрешение

Разрешение позиционно-чувствительного детектора – это минимальное детектируемое смещение светового пятна на поверхности сенсора датчика. Разрешение (ΔR) зависит как от размеров резистивного слоя (L x или L y), так и от отношения сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум этой системы можно определить как отношение суммы выходных сигналов (V o) к напряжению шума (e n). Шум на выходе детектора PDP90A составляет <2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).

Где

ΔR – разрешение,

Lx – характерный размер резистивного слоя,

e n – шумовое напряжение на выходе детектора,

Vo – сумма выходных напряжений.

Для детектора PDP90A:


Для получения оптимальных результатов значение V o необходимо увеличить до 4 В, что обеспечит разрешение детектора на уровне 0.750 мкм. Для этого необходимо следить за суммарным выходным сигналом (SUM) сенсора и одновременно регулировать интенсивность падающего излучения, пока напряжение на выходе не станет равно 4 В. Напряжение более 4 В приведет к насыщению системы и, следовательно, к ошибкам в измерениях. С помощью поставляемого программного обеспечения можно легко осуществлять контроль уровня напряжения. Если суммарное напряжение выше уровня насыщения, то ползунок, отображающий уровень суммарного напряжения, станет красным. В этом случае необходимо уменьшить интенсивность излучения до уровня, при котором цвет ползунка станет зеленым. Данное значение будет соответствовать 4 В выходного напряжения.

Позиционно-чувствительный детектор на основе квадрантных фотодиодов

Сенсор такого детектора состоит из четырех идентичных квадрантных фотодиода, которые разделены зазором ~0.1 мм и вместе образуют круглую зону детектирования для определения положения падающего пучка (в формате 2D). При попадании света на сенсор фототок генерируется в каждой области (на рис. Q1, Q2, Q3 и Q4). На основе этих сигналов с помощью АЦП вычисляются разностные сигналы. Также вычисляется сумма всех четырех сигналов для нормировки. Нормированные координаты (Х, У) положения пучка определяются с помощью уравнений:



Если симметричный пучок падает в центр сенсора, то система на выходе зарегистрирует 4 одинаковых фототока, т.е. разностные сигналы будут равны 0, а нормированные координаты (X, Y) = (0, 0). Фототоки изменятся, если пучок сдвинуть относительно центра. В этом случае разностные токи не будут раны 0.

Детекторы на основе квадрантных фотодиодов очень точные и отлично подходят для систем автоюстировки. Однако необходимо следить за формой и распределением интенсивности в пучке, т.к. данный вид детекторов чувствителен к этим параметрам. Для пучков, распределение мощности в которых не является Гауссовым, центр будет определяется на основе распределения мощности (не геометрический центр пучка). Для таких пучков предпочтительнее использовать детекторы, описанные в предыдущем пункте.

Лавинные фотодиоды в режиме Гейгера обладают способностью детектировать одиночные фотоны. Чувствительность на уровне одиночных фотонов может быть достигнута за счет увеличения напряжения смещения выше напряжения пробоя (т. А на рис.4). Лавинный фотодиод будет оставаться в метастабильном состоянии, пока не поглотиться фотон, который приведет к генерации лавины (т. B). Эта лавина гасится с помощью активной схемы гашения в фотодиоде (т. C), которая понижает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя (V BR).


Рис.4: Вольтамперная характеристика лавинного фотодиода в режиме Гейгера

После этого высокое значение напряжения смещения может быть восстановлено. В течении описанного процесса, которое известно как мертвое время диода, лавинный фотодиод нечувствителен к любым падающим фотонам. Когда диод находится в метастабильном состоянии, возможно спонтанное формирование лавин. Если спонтанное формирование лавин происходит хаотично, то зарегистрированный сигнал называется темновым отсчетом. Если спонтанное формирование лавин по времени коррелирует с импульсами от падающих фотонов, то такой сигнал называется послеимпульсом. Чтобы избежать регистрации послеимпульсов при проведении измерений, можно ввести дополнительное мертвое время программными средствами (с помощью ПО), что приведет к игнорированию счетчиком всех импульсов, возникших в течении этого времени.

Основные характеристики и понятия

Режим Гейгера

В этом режиме диод работает при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Следовательно, одна электрон-дырочная пара (сгенерированная в результате поглощения фотона или тепловых флуктуаций) может вызвать лавинный процесс.

Скорость темнового счета

Это средний показатель зарегистрированных отсчетов при отсутствии падающего излучения, который определяет минимальную скорость счета, при которой зарегистрированный сигнал в основном вызван реальными фотонами. Регистрация ложных фотонов в основном связана с тепловыми флуктуациями и таким образом, ее можно избежать с помощью использования охлаждаемых детекторов

Активное гашение происходит, когда дискриминатор регистрирует возникновение лавинного тока и резко уменьшает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя. При подготовке к регистрации следующего фотона напряжение смещения снова увеличивается до значений выше напряжения пробоя.

Мертвое время – это временной интервал, который необходим детектору для восстановления состояния, при котором он может регистрировать события без искажений. В течении этого времени он не видит падающих фотонов. Часть мертвого времени, связанная с активной схемой гашения, может быть определена как отношение пропущенных фотонов к падающим.

Послеимпульсы

Во время лавинного процесса некоторые заряды могут быть захвачены ловушками. При освобождении эти заряды могут привести к формированию лавины. Такие "ложные события" называют послеимпульсами (Afterpulses). Время жизни таких захваченных зарядов составляет порядка нескольких десятых микросекунды. Следовательно, возникновение послеимпульсов более вероятно непосредственно после импульса от реального фотона.

Основные модели фотодетекторов от компании Thorlabs

В таблице представлены модели фотодетекторов от компании Thorlabs. Модели, расположенные в одной и той же строке, оснащены одинаковыми светочувствительными элементами.

Диапазон рабочих длин волн

Материал

a Калиброванный фотодиод

b Корпус TO-46

Принцип работы

С момента появления первых коммерческих ФЭУ в 1940 году, этот вид детекторов остается одним из самых популярных при проведении экспериментов, в которых требуется малое время отклика и высокая чувствительность. Сегодня ФЭУ незаменимы при проведении исследований в области аналитической химии, физики элементарных частиц, астрономии, атомной и молекулярной физики, а также в медицине и контроле производственных процессов.

Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это чувствительные детекторы с высоким коэффициентом усиления, выходной ток которых пропорционален падающему излучению. ФЭУ состоит из стеклянной вакуумной трубки, в которой расположены фотокатод (фотоэмиссионный материал), 8-14 динодов (вторичная эмиссия) и анод (коллектор вторичных электронов). Если фотон с достаточно высокой энергией (т.е. с энергией больше энергии связи электронов материала фотокатода) падает на фотокатод, то он поглощается и испускается электрон (фотоэффект). Поскольку на первом диноде потенциал выше, чем потенциал на катоде (между этими элементами создается разность потенциалов), то выпущенный электрон ускоряется в электрическом поле и направляется на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Как правило, каждый динод обладает потенциалом, который на 100 – 200 В выше, чем потенциал предыдущего динода. Ток анода преобразуют в напряжение, для этого нагрузку с малым сопротивлением включают в цепь между анодом и землей. ФЭУ и от компании Thorlabs используют трансимпедансный усилитель (TIA) для преобразования тока анода (нА или мкА) в напряжение (мВ или В). Модули , и не содержат трансимпедансного усилителя.

Например, если ФЭУ состоит из 8 динодов, как показано на рис. ниже и каждый электрон приводит к появлению 4 вторичных электронов, то усиление тока после системы динодов будет составлять 4 8 ≈ 66,000. В приведенном примере, каждый фотоэлектрон приводит к появлению лавины с зарядом Q = 4 8 e, которая приходит на анод. Импульс напряжения при этом равен V = Q/C = 4 8 e /C, где C – емкость анода. Если емкость равна 5 пФ, то напряжение импульса на выходе будет равно 2.1 мВ.


Спектральная чувствительность

При выборе ФЭУ необходимо обратить внимание на материал фотокатода, т.к. он определяет длинноволновую границу спектральной чувствительности. Коротковолновая граница определяется материалом окна. Сегодня изготавливают различные виды ФЭУ для работы в диапазоне от УФ до ИК, при этом используют различные материалы фотокатода, каждый из который предназначен для работы в определенном спектральном диапазоне.

Квантовая эффективность (QE) – это величина, выражаемая в %, которая характеризует способность ФЭУ преобразовывать падающие фотоны в электроны. Например, QE равно 20%. Это означает, что один из 5 фотонов, падающих на фотокатод, приведет к появлению фотоэлектронов. Для задач счета фотонов, желательно иметь ФЭУ с высоким показателем квантовой эффективности. Поскольку QE зависит от длины волны, необходимо подобрать ФЭУ, с максимальной квантовой эффективностью в интересующем спектральном диапазоне. Следует отметить, что фотокатоды для видимой области спектра, как правило, обладают QE <30%.

Вычислить квантовую эффективность ФЭУ можно по формуле:


где S – это интегральная чувствительность [А/Вт], λ – длина волны [нм].

Конфигурация ФЭУ

Доступны две основные конфигурации ФЭУ: входное окно располагается на торце или на боковой стенке вакуумной колбы. В случае, когда входное окно расположено на торце, ФЭУ оснащен полупрозрачными фотокатодами и характеризуется большой площадью активной области, пространственной однородностью, и более высокой производительностью в синей и зеленой областях спектра. Такая конфигурация предпочтительнее для применений, требующих широкой спектральной чувствительности, таких как спектроскопия. В ФЭУ с боковым окном используют непрозрачные фотокатоды, такая конфигурация чаще всего используется при работе в УФ и ИК диапазоне. Конфигурация с боковым окном дешевле, чем конфигурация с окном на торце, и часто используется для задач, требующих высокой квантовой эффективности, таких как сцинтилляционные измерения.

8-14 динодов располагают линейно или по кругу. При линейном расположении (как показано на рис.) ФЭУ обладает малым временем отклика, высоким разрешением и линейностью. Диноды располагаются по кругу в ФЭУ с боковым окном и в некоторых ФЭУ с торцевым окном, при этом система обладает компактными размерами и малым временем отклика.

Коэффициент усиления

ФЭУ – уникальны, так как способны усиливать очень слабые сигналы от фотокатода до детектируемого уровня выше шума считывания без внесения существенных помех. За усиление сигнала в ФЭУ отвечают диноды, и коэффициент усиления зависит от прилагаемого напряжения. ФЭУ может работать при напряжениях, превышающих значения, рекомендуемые производителем, обеспечивая при этом коэффициент усиления в 10-100 раз выше указанного в спецификации. При работе в таком режиме на ФЭУ не оказывается негативного влияния, если ток анода ниже предельно допустимых значений.

Темновой ток

В случае идеального ФЭУ, все сигналы, производимые фотокатодом, являются следствием попадания в трубку света. Однако, настоящие ФЭУ генерируют ток даже в отсутствии падающего излучения. Сигнал, генерируемый ФЭУ в отсутствии света, называется темновым током. Этот сигнал сильно снижает отношение сигнал/шум ФЭУ. Темновой ток главным образом обусловлен термоэлектронной эмиссией электронов из фотокатода и нескольких первых динодов, и в меньшей степени космическими лучами и радиацией. ФЭУ, разработанные для применений в красной области спектра, обладают более высокими значениями темнового тока, чем другие ФЭУ, за счет малых значений энергии связи электронов в фотокатодах, обладающих чувствительностью в красной области спектра.

Термоэлектронная эмиссия зависит от температуры фотокатода и работы выхода, а значит охлаждение ФЭУ может значительно снизить темновой ток. При использовании ФЭУ с термоэлектрическим охлаждением следует избегать конденсации на входном окне, так как влага уменьшит количество света, падающего на фотокатод. Кроме того, необходимо избегать чрезмерного охлаждения, так как это может привести к негативным последствиям: уменьшение уровня сигнала или напряжения на катоде, т.к. сопротивление катодной пленки обратно пропорционально температуре.

Время Нарастания

Для экспериментов, требующих высокого временного разрешения, время нарастания должно быть коротким. Время нарастания импульса тока анода чаще всего используется в качестве характеристики быстродействия ФЭУ. В конечном счете, время нарастания импульса определяется временем распространения разных электронов. Оно отличается по нескольким причинам. Во-первых, начальные скорости вторичных электронов различаются. т.к. они выбиваются из разных по глубине мест материала динодов. Некоторые электроны вылетая обладают ненулевой начальной энергией, поэтому достигнут следующего динода за более короткое время. Время пролета электронов также будет зависеть от длины пути. В результате всех этих эффектов, время нарастания импульса анодного тока будет уменьшаться с увеличением напряжения как V -1/2 .

Другие факторы

При работе с ФЭУ следует тщательно выбирать электронику, которая будет использоваться. Даже небольшие флуктуации высокого напряжения, прилагаемого между катодом и анодом могут сильно повлиять на выходной сигнал. Кроме того, условия окружающей среды также могут влиять на работу ФЭУ. Изменения температуры и влажности, а также вибрации негативно влияют на производительность ФЭУ. Корпус ФЭУ также имеет большое значение, он не только защищает трубку от постороннего света, но и снижает влияние внешних магнитных полей. Поле с магнитной индукцией в несколько гауссов, может уменьшить коэффициент усиления. Этого можно избежать путем использования магнитного экрана из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Лабораторная работа № 16

Изучение фотодиода

Цель: Ознакомиться с принципом действия, устройством, характеристиками и применением полупроводниковых фотодиодов.

Приборы и принадлежности: германиевый фотодиод ФД-7Г, стенд для измерения вольт-амперных характеристик диодов, оптическая скамья с осветителем, блок питания, осциллограф.

Теоретическое введение

Фотодиодом называется полупроводниковый диод, чувствительный к свету и предназначенный для преобразования светового потока (оптического излучения) в электрический сигнал.

Не отличаясь по принципу действия от фотопреобразователя солнечной энергии, фотодиоды имеют свои конструктивные особенности и характеристики, которые определяются их назначением.

Фотодиоды предназначены для применения в качестве приёмников и датчиков оптического излучения (обычно видимого и инфракрасного) в составе аппаратуры и различных приборов, использующих видимое и инфракрасное излучение.

В основе работы фотодиодов лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором под действием света в полупроводнике появляются дополнительные (неравновесные) электроны и дырки, создающие фототок или фотоэдс.

1. Принцип работы фотодиодов с p-n-переходом. В фотодиодах светочувствительным элементом является переходная область - p-n-переход, расположенная между областями с электронной и дырочной проводимостью (рис.1).



Образование p-n-перехода. Полупроводник n-типа содержит некоторое количество примесных атомов донорного типа, которые при комнатной температуре практически все ионизованы. Таким образом, в таком полупроводнике имеется n о свободных электронов и такое же количество неподвижных положительно заряженных ионов донорной примеси.

В дырочном полупроводнике (полупроводнике p-типа) реализуется подобная ситуация. В нем имеется p о свободных дырок и столько же отрицательно заряженных ионов акцепторных атомов. Принцип образования p-n-перехода показан на рис. 1.

При контакте p- и n- областей в них, вследствие наличия градиента концентраций электронов и дырок, возникает диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- полупроводника в n-полупроводник. Электроны, перешедшие из n-области в р-область, рекомбинируют с дырками вблизи границы раздела. Аналогично рекомбинируют дырки, перейдя из р-области в n- область. В результате вблизи p-n-перехода практически не остается свободных носителей заряда (электронов и дырок).

Тем самым по обе стороны от p-n-перехода образуется сформированный неподвижными примесными ионами двойной заряженный слой (другие названия – слой обеднения или область пространственного заряда (ОПЗ), запирающий слой), создающий сильное электрическое поле. Электрическое поле запирающего слоя направлено от n –области к p-области и противодействует процессу диффузии основных носителей заряда из областей удаленных от p-n-перехода в обедненную область. Такое состояние является равновесным и при отсутствии внешних возмущений может существовать сколь угодно долго.

Рис. 1 – Образование p-n- перехода Рис. 2

Принцип работы фотодиода. Оптическое излучение (свет), поглощаемое в полупроводниковой структуре с p-n-переходом, создает свободные пары “электрон-дырка” при условии, что энергия фотона hν превышает ширину запрещенной зоны полупроводника Eg.

Свободные электроны и дырки возникают как в p- и n- областях перехода, так и в непосредственной близости к запирающему слою. Существующее в запирающем слое электрическое поле (поле p-n-перехода) разделяет созданные светом свободные носители заряда в зависимости от их знака в разные части фотодиода: свободные электроны перемещаются в n-область перехода, а дырки перемещаются в p- область, что приводит к заряжению этих областей (рис.2).

При освещениидырки накапливаются в р-области, заряжая её положительно. Электроны накапливаются в n-области, заряжая её отрицательно. Поэтому между ними возникает разность потенциалов.

При это возможны два режима работы прибора: в схемах с внешним источником питания и без него. Режим работы фотодиода с внешним источником питания называется фотодиодным, а без внешнего источника питания - режимом генерации фотоэдс (другое название - фотовольтаический режим).

Режим генерации. В этом случае на переход не подано внешнее напряжение и цепь разомкнута. Освещение приводит к накоплению фотоэлектронов в n-области и дырок в р-области. В результате образуется разность потенциалов U ф (часто называют «напряжение

Рис. 3 Рис.4 – Вольт-амперные характеристики фотодиода

при различных световых потоках (Ф 1 < Ф 2 < Ф 3).

холостого хода U хх »), то есть появляется фотоэдс. Накопление избыточных электронов и дырок происходит не беспредельно. Одновременно с возрастанием концентрации дырок в дырочной области и электронов в электронной области происходит понижение потенциального барьера перехода на величину фотоэдс и возникает диффузия основных носителей заряда через р-n-переход. Наступает динамическое равновесие.

При подключении к внешним выводам фотодиода нагрузки R н в её цепи появится ток (рис.3). Во внешней цепи фототок направлен от р-области к n-области. В таких условиях фотодиод работает как преобразователь энергии излучения в электрическую энергию.

Вольт-амперная характеристика освещённого р-n-перехода. Вольт-амперную характеристику р-n-перехода при освещении можно записать в следующем виде:

, (1)

где I н - ток насыщения в темноте; I ф - фототок, то есть ток, созданный возбуждёнными светом носителями заряда и проходящий через р-n-переход; U – внешнее напряжение на переходе.

На рис. 4 показаны графики вольт-амперных зависимостей при различных световых потоках Ф. При отсутствии освещения (I ф = 0) вольт-амперная (темновая) характеристика проходит через начало координат. Остальные кривые, соответствующие определённым световым потокам, смещаются по оси ординат (оси токов) на отрезки, равные силе фототока - I ф. Из выражения (1) видно, что при обратном включении (U < 0) и при

(qU >> kT) сила тока через переход I = - (I н + I ф).

Части кривых, расположенные в третьем квадранте, соответствуют фотодиодному режиму работы): части кривых, расположенные в четвёртом квадранте, - режиму генерации фотоэдс.

Если во внешней цепи сила тока I = 0 (цепь разомкнута), то из выражения (1) можно найти напряжение холостого хода U ф.

(2)

Если фотодиод в режиме генерации включен во внешнюю цепь с малым сопротивлением, то фотоэлектроны в n – области не накапливаются и U ф = 0. А поскольку внешнее напряжение отсутствует, то в цепи течёт ток I = - I ф, часто называемый током короткого замыкания и прямо пропорциональный световому потоку I ф ~ Ф.

Рис. 5 – Структурная схема фотодиода и схема

его включения при работе в фотодиодном режиме: Рис.6

1 - кристалл полупроводника; 2 - контакты;

3 - выводы; Ф - поток электромагнитного

излучения; n и р - области полупроводника;

Е - источник постоянного тока; R н - нагрузка.

Фотодиодный режим. В этом режиме на р-n-переход подано обратное напряжение

(р-область подключена к минусу источника напряжения, а n-область к плюсу источника; рис. 5). Схема включает также нагрузочное сопротивление (резистор) R н. В этом случае переход обладает огромным сопротивлением и через него течёт слабый обратный ток (ток насыщения в темноте I н). При освещении фотодиода ток через него резко возрастает за счёт возникновения фототока и может значительно превысить темновой ток I н (рис. 4). Соответственно изменяется и падение напряжения на нагрузочном сопротивлении R н. При правильном выборе иcточника напряжения и внешнего сопротивления R н величина электрического сигнала (напряжения на резисторе) может быть большой и поэтому фотодиоды широко применяются для регистрации и измерения световых сигналов.

Ток через фотодиод в основном определяется потоками неосновных неравновесных носителей заряда (электронов в р-области и дырок в n-области), возникающих при освещении, и не зависит от напряжения, то есть носит характер тока насыщения. Поэтому в фотодиодном режиме наблюдается строгая линейная зависимость фототока от освещённости вплоть до весьма больших значений освещённости. Это является важным достоинством фотодиодов.

Для регистрации переменных оптических сигналов (световых потоков) применяется схема, показанная на рис. 6. Изменяющийся световой поток, падающий на фотодиод, вызывает в цепи переменную составляющую тока, которая повторяет изменения интенсивности света. А на резисторе R н происходят такие же изменения напряжения, которое и поступает на вход регистрирующей системы. Чтобы отделить (не пропустить) постоянную составляющую напряжения на резисторе, в сигнальной цепи находится разделительный конденсатор С.

2. Технология изготовления и конструкция. Для изготовления р-n-переходов при производстве фотодиодов используют метод вплавления примесей и диффузию. Основное внимание при этом уделяется глубине расположения р-n-перехода относительно

Рис.7 – Конструкция гераниевого Рис.8 – Спектральные характеристики

фотодиода ФД-1. германиевых (1) и кремниевых фотодиодов (2).

освещаемой поверхности кристалла, поскольку она определяет инерционность (быстродействие) фотодиода. На рис.7 показана конструкция германиевого фотодиода ФД-1 в металлическом корпусе. Круглая пластинка 1, вырезанная из монокристалла германия с электропроводностью n-типа, закреплена с помощью кристаллодержателя 2 в коваровом корпусе 3. Вывод 4 от индиевого электрода, вплавленного в германий, пропущен через коваровую трубку 5, закреплённую стеклянным изолятором 6 в ножке корпуса 7. Другим электродом является сам корпус фотодиода, так как кристалл германия припаян к кристаллодержателю оловянным кольцом 8. В корпусе фотодиода имеется круглое отверстие, закрытое стеклянной линзой 9, которая собирает световой поток на ограниченную поверхность германиевой пластинки. Для защиты р-n-перехода от воздействия окружающей среды корпус фотодиода герметизирован.

Некоторые виды фотодиодов имеют пластмассовый корпус. Материал такого корпуса и окна в металлическом корпусе выбирают такими, чтобы они были прозрачными для той части спектра (излучения), к которой должен быть чувствителен данный фотодиод. Так, для германиевых приборов – это видимый свет и коротковолновое инфракрасное излучение.

Материалами , из которых изготавливают фотодиоды, служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и другие полупроводниковые соединения.

Основные характеристики и параметры фотодиодов

- Чувствительность S - параметр, который отражает изменение электрического сигнала (сила тока или напряжение) на выходе фотодиода при его освещении.

Количественно измеряется отношением изменения электрической характеристики (силы тока I ф или напряжения U ф), снимаемой на выходе фотодиода, к потоку излучения Ф, падающему на прибор.

S I = I ф / Ф - токовая чувствительность, S v = U ф / Ф - вольтовая чувствительность.

- Порог чувствительности Ф п – величина минимального светового потока, регистрируемого фотодиодом, отнесённая к единице полосы рабочих частот.

- Постоянная времени τ, которая характеризует инерционность прибора, то есть его быстродействие.

Это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз по отношению к установившемуся значению.

Для фотодиодов с р-n-переходом она составляет 10 -6 – 10 -8 с.

- Темновое сопротивление R Т – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

- Спектральная характеристика – зависимость фототока от длины волны λ падающего на фотодиод света. Для германиевых и кремниевых фотодиодов спектральные характеристики показаны на рис.8. Длина волны, на которую приходится максимальная чувствительность, у кремниевых фотодиодов примерно равна λ макс = 800 – 900 нм, у германиевых фотодиодов находится при λ макс = 1500 – 1600 нм.

- Вольт-амперная характеристика - зависимость светового тока от напряжения при постоянном световом потоке.

- Световая характеристика - зависимость фототока от освещённости.

Некоторые другие параметры приведены в таблице.

Условное графическое обозначение фотодиодов показано на рис.9, фотографии некоторых фотодиодов – на рис.10.

Рис. 9 Рис.10

4. Применение фотодиодов. Современные фотодиоды обладают наилучшим сочетанием основных параметров:

1. Высокая чувствительность к оптическим сигналам;

2. Высокое быстродействие;

3. Малое рабочее напряжение;

4. Линейная зависимость фототока от освещённости в широком диапазоне освещённостей.

5. Низкий уровень шумов;

6. Простота устройства.

Поэтому они широко применяются в устройствах автоматики, вычислительной и лазерной техники, волоконно-оптических линиях связи.

В повседневной жизни фотодиоды используются в таких приборах, как устройства чтения компакт-дисков, современные фотокамеры, различные сенсорные устройства.

Например, инфракрасные фотодиоды применяются в пультах дистанционного управления, системах охраны, безопасности и автоматики.

Существуют рентгеновские фотодиоды, применяемые для регистрации ионизирующего излучения и частиц с высокой энергией. Одно из важных применений - в медицинских приборах, например в установках для проведения компьютерной томографии.

Выполнение работы

Задание 1. Измерение вольт-амперной характеристики фотодиода при отсутствии освещения (в темноте).

Назначение: фотодио́д - приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд.

Принцип действия: Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n-переход. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями . При диффузии фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n-перехода и n-области. Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком .

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Устройство: cтруктурная схема фотодиода. 1 - кристалл полупроводника; 2 - контакты; 3 - выводы; Ф - поток электромагнитного излучения; Е - источник постоянного тока; Rн - нагрузка.

Параметры: чувствительность (отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала.); шумы (помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром - шум фотодиода)

Характеристики:а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость выходного напряжения от входного тока. б) световая характеристика зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. в) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод.

Применение: а) оптоэлектронные интегральные микросхемы.

б) многоэлементные фотоприемники. в) оптроны.

9. Светодиоды. Назначение, устройство, принцип действия, основные параметры и характеристики.

Назначение: Светодиод - это полупроводниковый прибор, который излучает свет при пропускании через него тока в прямом направлении.

Принцип действия: Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход.

Светодиод является полупроводниковым излучающим прибором с одним или несколькими n-р переходами, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения. Излучение возникает в результате рекомбинации инжектированных носителей в одной из областей, прилегающих к n-р переходу. Рекомбинация происходит при переходе носителей с верхних уровней на нижние.

Характеристики и параметры: основным параметром светодиодов является внутренняя квантовая эффективность (отношение числа фотонов к количеству инжектированных в базу носителей) и внешняя эффективность (отношение потока фотонов из светодиода к потоку носителей заряда в нем). Внешняя эффективность в значительной мере определяется технологией и с ростом ее уровня может быть значительно увеличена.

Основные характеристики светодиодов - вольт-амперные, яркостные и спектральные. Основными параметрами светоизлучающих диодов являются длина волны, полуширина спектра излучения, мощность излучения, рабочая частота и диаграмма направленности излучения.

Светодиоды находят широкое применение в цифровых индикаторах, световых табло, устройствах опто электроники. Принципиально возможно формирование на их основе экрана цветного телевидения.

Особое место в электротехнике занимают фотодиоды, которые применяются в различных устройствах и приборах. Фотодиодом называется полупроводниковый элемент, по своим свойствам подобный простому диоду. Его обратный ток прямо зависит от интенсивности светового потока, падающего на него. Чаще всего в качестве фотодиода применяют полупроводниковые элементы с р-n переходом.

Устройство и принцип действия

Фотодиод входит в состав многих электронных устройств. Поэтому он и приобрел широкую популярность. Обычный светодиод – это диод с р-n переходом, проводимость которого зависит от падающего на него света. В темноте фотодиод обладает характеристиками обычного диода.

1 – полупроводниковый переход.
2 – положительный полюс.
3 – светочувствительный слой.
4 – отрицательный полюс.

При действии потока света на плоскость перехода фотоны поглощаются с энергией, превышающей предельную величину, поэтому в n-области образуются пары носителей заряда — фотоносители.

При смешивании фотоносителей в глубине области «n» основная часть носителей не успевает рекомбинировать и проходит до границы р-n. На переходе фотоносители делятся электрическим полем. При этом дырки переходят в область «р», а электроны не способны пройти переход, поэтому накапливаются возле границы перехода р-n, а также области «n».

Обратный ток диода при воздействии света повышается. Значение, на которое повышается обратный ток, называют фототоком.

Фотоносители в виде дырок осуществляют положительный заряд области «р», по отношению к области «n». В свою очередь электроны производят отрицательный заряд «n» области относительно «р» области. Возникшая разность потенциалов называется фотоэлектродвижущей силой, и обозначается «Е ф ». Электрический ток, возникающий в фотодиоде, является обратным, и направлен от катода к аноду. При этом его величина зависит от величины освещенности.

Режимы работы
Фотодиоды способны функционировать в следующих режимах:
  • Режим фотогенератора. Без подключения источника электричества.
  • Режим фотопреобразователя. С подключением внешнего источника питания.

В работе фотогенератора фотодиоды используются вместо источника питания, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Такие фотогенераторы называются солнечными элементами. Они являются основными частями солнечных батарей, применяемых в различных устройствах, в том числе и на космических кораблях.

КПД солнечных батарей на основе кремния составляет 20%, у пленочных элементов этот параметр значительно больше. Важным свойством солнечных батарей является зависимость мощности выхода к весу и площади чувствительного слоя. Эти свойства достигают величин 200 Вт / кг и 1 кВт/м 2 .

При функционировании фотодиода в качестве фотопреобразователя , источник напряжения подключается в схему обратной полярностью. При этом применяются обратные графики вольт-амперной характеристики при разных освещенностях.

Напряжение и ток на нагрузке R н определяются на графике по пересечениям характеристики фотодиода и нагрузочной линии, которая соответствует резистору R н. В темноте фотодиод по своему действию равнозначен обычному диоду. Ток в режиме темноты для кремниевых диодов колеблется от 1 до 3 микроампер, для германиевых от 10 до 30 микроампер.

Виды фотодиодов

Существует несколько различных видов фотодиодов, которые имеют свои достоинства.

p – i – n фотодиод

В области р-n у этого диода имеется участок с большим сопротивлением и собственной проводимостью. При воздействии на него света возникают пары дырок и электронов. Электрическое поле в этой зоне имеет постоянное значение, пространственный заряд отсутствует.

Этот вспомогательный слой значительно снижает емкость запирающего слоя, и не зависит от напряжения. Это расширяет полосу рабочих частот диодов. В результате скорость резко повышается, и частота достигает 10 10 герц. Повышенное сопротивление этого слоя значительно уменьшает ток работы при отсутствии освещения. Чтобы световой поток смог проникнуть через р-слой, он не должен быть толстым.


Лавинные фотодиоды

Такой вид диодов является полупроводниками с высокой чувствительностью, которые преобразуют освещение в сигнал электрического тока с помощью фотоэффекта. Другими словами, это фотоприемники, усиливающие сигнал вследствие эффекта лавинного умножения.

1 — омические контакты 2 — антиотражающее покрытие

Лавинные фотодиоды более чувствительны, в отличие от других фотоприемников. Это дает возможность применять их для незначительных мощностей света.

В конструкции лавинных фотодиодов применяются сверхрешетки. Их суть заключается в том, что значительные различия ударной ионизации носителей приводят к падению шумов.

Другим достоинством применения аналогичных структур является локализация лавинного размножения. Это также снижает помехи. В сверхрешетке толщина слоев составляет от 100 до 500 ангстрем.

Принцип действия

При обратном напряжении, близком к величине лавинного пробоя, фототок резко усиливается за счет ударной ионизации носителей заряда. Действие заключается в том, что энергия электрона повышается от внешнего поля и может превзойти границу ионизации вещества, вследствие чего встреча этого электрона с электроном из зоны валентности приведет к появлению новой пары электрона и дырки. Носители заряда этой пары будут ускоряться полем и могут способствовать образованию новых носителей заряда.

Характеристики

Свойства таких световых диодов можно описать некоторыми зависимостями.

Вольт-амперная

Эта характеристика является зависимостью силы тока при постоянном потоке света от напряжения.

I — ток M — коэффициент умножения U — напряжение

Световая

Это свойство является зависимостью тока диода от освещения. При возрастании потока света, фототок повышается.

Спектральная

Это свойство является зависимостью тока диода от длины световой волны, и является шириной пограничной зоны.

Постоянная времени

Это время, за которое фототок диода меняется после подачи света в сравнении с установившимся значением.

Темновое сопротивление

Это значение сопротивления диода в темноте.

Инерционность
Факторы, влияющие на эту характеристику:
  • Время диффузии неравновесных носителей заряда.
  • Время прохождения по р-n переходу.
  • Период перезарядки емкости барьера р-n перехода.
Сфера применения

Фотодиоды являются основными элементами многих оптоэлектронных приборов.

Интегральные микросхемы (оптоэлектронные)

Фотодиод может иметь значительную скорость работы, но коэффициент усиления тока составляет не более единицы. Вследствие оптической связи микросхемы имеют существенные преимущества: идеальная гальваническая развязка цепей управления от мощных силовых цепей. При этом между ними сохраняется функциональная связь.

Фотоприемники с несколькими элементами

Эти устройства в виде фотодиодной матрицы, сканистора, являются новыми прогрессивными электронными устройствами. Их оптоэлектронный глаз с фотодиодом может создавать реакцию на пространственные и яркостные свойства объектов. Другими словами, он может видеть полный его зрительный образ.

Количество ячеек, чувствительных к свету, очень большое. Поэтому, кроме вопросов быстродействия и чувствительности, необходимо считывание информации. Все фотоприемники с множественными фотоэлементами являются сканирующими системами, то есть, приборами, которые позволяют анализировать исследуемое пространство последовательным поэлементным просмотром.

Фотодиоды также нашли широкое применение в оптоволоконных линиях, лазерных дальномерах. Недавно такие световые диоды стали использоваться в эмиссионно-позитронной томографии.

В настоящее время имеются образцы светочувствительных матриц, состоящих из лавинных фотодиодов. Их эффективность и область применения зависит он некоторых факторов.

Наиболее влияющими оказались такие факторы:
  • Суммарный ток утечек, образующийся путем сложения шумов и тока при отсутствии света.
  • Квантовая эффективность, определяющая долю падающих квантов, приводящих к возникновению тока и носителей заряда.

Основными характеристиками фотодиода являются: ВАХ, световая и спектральная.

Вольт-амперная характеристика . В общем случае (при любой полярности U) ток фотодиода описывается выражением (1). Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода I ф от напряжения на фотодиоде U при разных значениях потока излучения Ф, т.е. является уравнением семейства вольт-амперных характеристик фотодиода. Графики вольт-амперных характеристик приведены на рис. 1.7.

Рис. 1.7 ВАХ фотодиода.

Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода расположено в квадрантах I, III и IV. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода: в этом квадранте к p-n переходу прикладывается прямое напряжение и диффузионная составляющая тока полностью подавляет фототок (I p - n >> I ф). Фотоуправление через диод становится невозможным.

Квадрант III – это фотодиодная область работы фотодиода. К p-n переходу прикладывается обратное напряжение. Следует подчеркнуть, что в рабочем диапазоне обратных напряжений фототок практически не зависит от обратного напряжения и сопротивления нагрузки. Вольт-амперная характеристика нагрузочного резистора R представляет собой прямую линию, уравнение которой имеет вид:

E обр - I ф · R = U,

где U обр – напряжение источника обратного напряжения; U – обратное напряжение на фотодиоде; I ф – фототок (ток нагрузки).

Фотодиод и нагрузочный фоторезистор соединены последовательно, т.е. через них протекает один и тот же ток I ф. Этот ток I ф можно определить по точке пересечения вольт-амперных характеристик фотодиода и нагрузочного резистора (рис 1.7 квадрант III) Таким образом, в фотодиодном режиме при заданном потоке излучения фотодиод является источником тока I ф по отношению к внешней цепи. Значение тока I ф от параметров внешней цепи (U обр, R) практически не зависит (Рис 1.7.).

Квадрант IV семейства вольт-амперных характеристик фотодиода соответствует фотогальваническому режиму работы фотодиода. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью напряжения соответствуют значениям фото-ЭДС E ф или напряжениям холостого хода U хх (R н = ∞) при разных потоках Ф. У кремниевых фотодиодов фото-ЭДС 0,5-0,55 В. Точки пересечения вольт-амперных характеристик с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I кз (R н = 0). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые для разных значений R н выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по вольт-амперным характеристикам фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы фотодиода в фотогальваническом режиме (Рис. 1.8). Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R н будет передаваться наибольшая электрическая мощность.

Рис.1.8. ВАХ фотодиода в фотогальваническом режиме.

Отимальному режиму соответствует для потока Ф1 линия нагрузки R 1 (площадь заштрихованногопрямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф 1 и R 1 , будет наибольшей – рис.1.8). Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде U=0,35-0,4 В.

Световые (энергетические) характеристики фотодиода – это зависимость тока от светового потока I = f(Ф):

Рис. 1.9. Световая характеристика ФД.

В фотодиодном режиме энергетическая характеристика в рабочем диапазоне потоков излучений линейна.

Это говорит о том, что практически все фотоносители доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока, потери неосновных носителей на рекомбинацию не зависят от потока излучения.

В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания I кз, либо фото-ЭДС E ф от потока излучения Ф. При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отклоняется от линейного (рис. 1.10).

Фотодиодный режим

Рис.1.10.Световые характеристики ФД

Для функции I кз = f(Ф) появление нелинейности связанно с ростом падения напряжения на объемном сопротивлении базы полупроводника. Снижение фото-ЭДС объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в n-области и дырок p-области.

Диодный режим имеет по сравнению с генераторным следующие преимущества:

· выходной ток в фотодиодном режиме не зависит от сопротивления нагрузки, в генераторном режиме максимальный входной ток может быть получен только при коротком замыкании в нагрузке.

· фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p-n перехода уменьшается).

Недостатком фотодиодного режима работы является зависимость темнового тока (обратного тока p-n перехода) от температуры.

Основными параметрами являются:

· темновой ток I т.

· рабочее напряжение U раб – напряжение, прикладываемое к диоду в фотопреобразовательном режиме.

· Интегральная чувствительность K ф.