Фотопроводящий и фотоэлектрический режимы работы фотодиодов
В данной статье мы рассмотрим преимущества двух типов реализации схем на фотодиодах.
Когда следует использовать фотоэлектрический и фотопроводящий режимы при установке фотодиодов в электрические схемы? В данной статье мы обсудим подробности этих режимов и варианты проектов, связанных с ними.
Это третья часть нашей серии «Введение в фотодиоды», в которой исследуются технические подробности работы этих устройств, которые в различной форме реагируют на высокочастотное электромагнитное излучение:
- Природа света и PN-переходы
- Физика работы светочувствительных PN-переходов
- Понятие фотоэлектрического и фотопроводящего режимов работы фотодиода
- Характеристики различных фотодиодных технологий
- Понятие эквивалентной схемы фотодиода
Фототок
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 – подробнее об этом в следующей статье). Для дальнейшей обработки сигнала этот фототок преобразуется в напряжение с помощью последовательно включенного резистора или преобразователя ток→напряжение на операционном усилителе.
Детали связи света и тока фотодиода будут варьироваться в зависимости от условий смещения диода. В этом суть различия между фотоэлектрическим и фотопроводящим режимами: в фотоэлектрической реализации схема, окружающая фотодиод, поддерживает анод и катод под одним и тем же потенциалом; другими словами, диод имеет нулевое смещение. В фотопроводящей реализации схема, окружающая фотодиод, создает обратное смещение, что означает, что катод находится под более высоким потенциалом, чем анод.
Темновой ток
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 ограничивает способность системы точно измерять низкие интенсивности света, если эти интенсивности создают фототоки величиной, аналогичной величине темнового тока.
Вредное влияние темнового тока можно уменьшить с помощью методов, которые вычитают из тока диода ожидаемый темновой ток. 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 этом темновом шуме.
Фотоэлектрический режим в фотодиодных схемах
Следующая схема представляет собой пример реализации фотоэлектрической системы.
Эта схема на операционном усилителе называется трансимпедансным усилителем (TIA, transimpedance amplifier). Она разработана специально для преобразования сигнала тока в сигнал напряжения, причем отношение тока к напряжению определяется значением резистора обратной связи Rос. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с землей, и если мы применим предположение о виртуальном коротком замыкании, мы узнаем, что на инвертирующем входе всегда будет примерно 0 В. Таким образом, катод и анод фотодиода поддерживаются при напряжении 0 В.
Я не уверен, что «фотоэлектрическая» – это совсем точное название этой реализации на базе операционного усилителя. Не думаю, что фотодиод работает как солнечный элемент, генерирующий напряжение за счет фотоэлектрического эффекта. Но «фотоэлектрический» – это общепринятая терминология, нравится мне это или нет. Термин «режим нулевого смещения», я думаю, подходит лучше, потому что мы можем использовать этот же трансимпедансный усилитель с фотодиодом в фотоэлектрическом или фотопроводящем режиме, и, таким образом, отсутствие напряжения обратного смещения является наиболее заметным отличительным фактором.
Когда использовать фотоэлектрический режим
Преимущество фотоэлектрического режима – снижение темнового тока. В обычном диоде прикладывание напряжения обратного смещения увеличивает обратный ток, потому что обратное смещение уменьшает диффузионный ток, но не уменьшает дрейфовый ток, 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 эффективность при низкой освещенности.
Фотопроводящий режим в фотодиодных схемах
Чтобы переключить показанную выше схему детектора в фотопроводящий режим, мы подключаем анод фотодиода к источнику отрицательного напряжения, а не к земле. Катод всё еще находится под напряжением 0 В, но анод находится под некоторым напряжением ниже 0 В; таким образом, на фотодиод подается обратное смещение.
Когда использовать фотопроводящий режим
Прикладывание напряжения обратного смещения к PN-переходу приводит к расширению обедненной области. Это имеет два положительных эффекта в контексте применения фотодиодов. Во-первых, более широкая обедненная область, как объяснялось в предыдущей статье, делает фотодиод более чувствительным. Таким образом, фотопроводящий режим – хороший выбор, когда вы хотите получить больший выходной сигнал при той же освещенности.
Во-вторых, более широкая обедненная область снижает емкость перехода фотодиода. В схеме, показанной выше, наличие сопротивления обратной связи и емкости перехода (наряду с другими источниками емкости) ограничивает полосу пропускания замкнутой петли системы. Как и в случае с базовым RC-фильтром нижних частот, уменьшение емкости увеличивает частоту среза. Таким образом, фотопроводящий режим 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 фотопроводящий режим и выбрать напряжение обратного смещения в соответствии с требованиями вашей системы. Но помните, что большее обратное смещение также увеличивает темновой ток.
Резюме
На характеристики детекторной системы на базе 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.
Следующая статья из серии «Введение в фотодиоды» посвящена нескольким различным полупроводниковым технологиям, на которых основываются фотодиоды.