Эквивалентная схема фотодиода

Добавлено 2 января 2020 в 16:00

В данной статье представлена модель схемы, которая помогает нам анализировать электрическое поведение фотодиода.

Эквивалентная схема помогает нам понять и предсказать реальную работу электронного компонента. Для фотодиодов модель эквивалентной схемы является важным аналитическим инструментом, потому что простая вставка символа фотодиода в схему мало что скажет вам о сигнале, который будет генерироваться, и о том, как фотодиод будет взаимодействовать со схемой усилителя.

Эта статья – пятая в нашей серии статей о фотодиодах. Познакомьтесь с остальными, чтобы узнать о следующем:

Базовая эквивалентная схема фотодиода

Не все модели фотодиодов абсолютно одинаковы, но в дополнение к обычному PN-переходу, представленному символом диода, в них всегда есть следующие четыре элемента: источник тока, параллельный конденсатор, параллельный резистор и последовательный резистор.

Фототок

Идеальный источник тока (I_фд, I_PD) представляет собой фототок, то есть ток, генерируемый диодом в ответ на падающий свет. Обратите внимание, что направление фототока соответствует току, который течет от катода диода к аноду диода – это хорошее напоминание о том, что фотодиоды используются с нулевым или обратным смещением, а ток, который они создают, течет в направлении, противоположном тому, что мы ожидаем от диодов с обычным прямым смещением.

Как упоминалось в предыдущей статье, для количественной оценки взаимосвязи между мощностью падающего света и фототоком мы используем чувствительность. Чувствительность типового кремниевого фотодиода колеблется от примерно 0,08 ампер на ватт (А/Вт) для ЭМИ 400 нм до 0,48 А/Вт для ЭМИ 700 нм.

Емкость перехода

Параллельный конденсатор (C_пер, C_J) представляет собой емкость перехода диода, то есть емкость, связанную с обедненной областью PN-перехода. Емкость перехода является важным параметром, поскольку она сильно влияет на частотную характеристику фотодиода. Более низкая емкость перехода обеспечивает улучшенную работу на высоких частотах.

Вы могли видеть модели фотодиодов, в которых C_пер представляет собой переменный конденсатор. Хотя такое представление кажется менее распространенным, это вовсе не плохая идея, потому что оно напоминает нам, что емкость перехода зависит от напряжения смещения. Мы можем целенаправленно разработать фотодиодную систему с более широкой полосой пропускания, просто увеличив напряжение обратного смещения.

Рисунок 2 Данный график, взятый из Photodiode Characteristics and Applications, опубликованного OSI Optoelectronics, демонстрирует значительное уменьшение емкости перехода, которое может быть достигнуто при работе фотодиода в фотопроводящем режиме — Рисунок 2 – Данный график, взятый из Photodiode Characteristics and Applications, опубликованного OSI Optoelectronics, демонстрирует значительное уменьшение емкости перехода, которое может быть достигнуто при работе фотодиода в фотопроводящем режиме

Параллельное сопротивление

Резистор, подключенный параллельно фотодиоду, называется шунтирующим сопротивлением (R_ш, R_SH). Как и в случае с источниками тока в целом, идеальная работа достигается при бесконечном R_ш. С бесконечным (или, в реальной жизни, чрезвычайно высоким) шунтирующим сопротивлением источник тока передает весь свой ток нагрузке, а отношение тока к напряжению полностью определяется сопротивлением нагрузки. Когда сопротивление шунта приближается к значению сопротивления нагрузки, оно начинает более заметно влиять на отношение тока к напряжению.

У многих фотодиодов сопротивление шунта настолько велико, что в типовых приложениях оно не оказывает серьезного влияния на общую производительность. Для кремниевых фотодиодов R_ш составляет десятки, сотни или даже тысячи мегаом; фотодиоды из арсенида индия-галлия также могут иметь чрезвычайно высокое шунтирующее сопротивление. Однако с германиевыми фотодиодами нужно быть более осторожным, потому что у них R_ш обычно находится в диапазоне килоом, а может быть, даже в диапазоне нескольких килоом.

Сопротивление шунта также влияет на шумовые характеристики. По мере уменьшения R_ш увеличивается тепловой шум (шум Джонсона) фотодиода.

Последовательное сопротивление

Фотодиод содержит контакты, проволочные соединения и полупроводниковый материал, которые вносят вклад в последовательное сопротивление (R_посл, R_S). Это сопротивление обычно довольно низкое, например, несколько Ом или несколько десятков Ом, хотя возможны и более высокие значения.

Насколько мне известно, последовательное сопротивление обычно не является серьезной проблемой при проектировании фотодиодных систем. Однако чрезмерно высокое последовательное сопротивление может снизить линейность: фототок, проходящий через R_посл, создает падение напряжения, которое создает прямое смещение фотодиода, который работает в схеме с нулевым смещением (смотрите рисунок ниже). Диод с прямым смещением имеет экспоненциальную зависимость тока от напряжения. Следовательно, увеличение напряжения на R_посл снижает фототок, который достигает нагрузки, потому что он вызывает отвод части фототока на землю через сам диод, и это отклонение тока происходит нелинейным образом.

Рисунок 3 Влияние паразитного последовательного сопротивления — Рисунок 3 – Влияние паразитного последовательного сопротивления

Резюме

Когда мы проектируем или анализируем схему детектирования на базе фотодиода, мы используем эквивалентную схему, которая помогает нам понять различные электрические параметры, участвующие в работе фотодиода. Обязательными элементами эквивалентной схемы фотодиода являются

источник тока для фототока;
диод, обозначающий PN-переход;
конденсатор, подключенный параллельно источнику тока;
резистор, подключенный параллельно источнику тока;
резистор, подключенный последовательно к выходному току.