Фотодиод: Фотодиод — это… Что такое Фотодиод?

Фотодиод — это… Что такое Фотодиод?

        Полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости (См. Фотопроводимость) при воздействии на него оптического излучения. Ф. представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (См. Электронно-дырочный переход) (р–n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус. Материалами, из которых выполняют Ф., служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и др.          Различают 2 режима работы Ф.: фотодиодный, когда во внешней цепи Ф. содержится источник постоянного тока, создающий на р–n-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме Ф., как и Фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи Ф. в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через р–n-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в Ф. в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме Ф., как и полупроводниковый Фотоэлемент, используют в качестве генератора Фотоэдс.          Основные параметры Ф.: 1) порог чувствительности (величина минимального сигнала, регистрируемого Ф., отнесённая к единице полосы рабочих частот), достигает 10^-14вт/гц^1/2; 2) уровень шумов – не свыше 10^-9а; 3) область спектральной чувствительности лежит в пределах 0,3–15 мкм; 4) спектральная чувствительность (отношение фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны) составляет 0,5–1 а/вт; 5) инерционность (время установления фототока) порядка 10

-7–10^-8сек. В лавинном Ф., представляющем собой разновидность Ф. с р–n-cтруктурой, для увеличения чувствительности используют т. н. лавинное умножение тока в р–n-переходе, основанное на ударной ионизации (См. Ионизация) атомов в области перехода фотоэлектронами. При этом коэффициент лавинного умножения составляет 10²–10⁴. Существуют также Ф. с р–i–n-cтруктурой, близкие по своим характеристикам к Ф. с р–n-cтруктурой; по сравнению с последними они обладают значительно меньшей инерционностью (до 10^-10 сек).

         Ф. находят применение в устройствах автоматики, лазерной техники, вычислительной техники, измерительной техники и т.п.

         Лит.: Тришенков М. А., Фример А. И., Фотоэлектрические полупроводниковые приборы с р–n-переходами, в сборнике: Полупроводниковые приборы и их применение, М., 1971; Рябов С. Г., Торопкин Г. Н., Усольцев И. Ф., Приборы квантовой электроники, М., 1976.

         И. Ф. Усольцев.

        

        Структурная схема фотодиода и схема его включения при работе в фотодиодном режиме: 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Ф — поток электромагнитного излучения; п и р — области полупроводника соответственно с донорной и акцепторной примесями; Е — источник постоянного тока; R_н — нагрузка.

Фотодиод — Википедия. Что такое Фотодиод

Материал из Википедии — свободной энциклопедии ФД-10-100 (активная площадь — 10×10 мм²). ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2×4 мм² — 16 шт). Обозначение на схемах. Типовая спектральная чувствительность кремниевого фотодиода.

Фотодио́д — приёмник оптического излучения

[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n-области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p и n находится слой нелегированного полупроводника i. p-n- и p-i-n-фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

Описание

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; R_H — нагрузка.

Принцип работы:

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C

p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

• фотогальванический — без внешнего напряжения
• фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

• простота технологии изготовления и структуры
• сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия
• малое сопротивление базы
• малая инерционность

Параметры и характеристики фотодиодов

Параметры:

• чувствительность

  отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

  Si,Φv=IΦΦv{\displaystyle S_{i,{\Phi _{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{\Phi _{v}}}}; Si,Ev=IΦEv{\displaystyle S_{i,{E_{v}}}={\frac {I_{\Phi }}{E_{v}}}} — токовая чувствительность по световому потоку

  Su,Φe=UΦΦe{\displaystyle S_{u,{\Phi _{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{\Phi _{e}}}}; Si,Ee=UΦEe{\displaystyle S_{i,{E_{e}}}={\frac {U_{\Phi }}{E_{e}}}} — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

• шумы

  помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ)

  зависимость выходного напряжения от входного тока.

  UΦ=f(IΦ){\displaystyle U_{\Phi }=f(I_{\Phi })}

• спектральные характеристики

  зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

• световые характеристики

  зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

• постоянная времени

  это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в е раз (63 %) по отношению к установившемуся значению.

• темновое сопротивление

  сопротивление фотодиода в отсутствие освещения.

• инерционность

Классификация

• В p-i-n-структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n-переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности. Повышение быстродействия в p-i-n-фотодиоде обусловлено тем, что процесс диффузии заменяется дрейфом электрических зарядов в сильном электрическом поле. Уже при U _обр ≈ 0,1 В p-i-n-фотодиод имеет преимущество в быстродействии.

Достоинства:

1) есть возможность обеспечения чувствительности в длинноволновой части спектра за счет изменения ширины i-области. {m}}}}

Для реализации лавинного умножения необходимо выполнить два условия:

1) Электрическое поле области пространственного заряда должно быть достаточно большим, чтобы на длине свободного пробега электрон набрал энергию, большую, чем ширина запрещённой зоны:

qλ=3Ig2{\displaystyle q\lambda ={\frac {3I_{g}}{2}}}

2) Ширина области пространственного заряда должна быть существенно больше, чем длина свободного пробега:

W>>λ{\displaystyle W>>\lambda }

Значение коэффициентов внутреннего усиления составляет M = 10—100 в зависимости от типа фотодиодов.

Фотодиод с гетероструктурой

Гетеропереходом называют слой, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток — сложность изготовления.

См. также

Примечания

5.2. Фотодиоды конструкции p-i-n. Принцип действия, основные характеристики. 5. Фотоприемники оптических систем передачи. Волоконно-оптические системы передачи

Фотодиоды p-i-n отличаются простотой конструкции, высокой надежностью, низкой стоимостью.

Пример конструкции p-i-n фотодиода приведен на рисунке 5.1.

В p-i-n фотодиоде между областями с проводимостями р⁺ (база) и n⁺ (коллектор) расположен слой i (слой поглощения фотонов) собственной проводимости полупроводника (i – intrinsic). Фотоны вводятся в детектор через окно, имеющее тонкий слой просветляющего покрытия (толщина около l /4) с показателем преломления , согласующим разные среды – стекловолокно (n_ОВ» 1,46) и полупроводник
(n_ПП» 3,5). В базе и коллекторе повышена концентрация носителей зарядов. В слое поглощения может создаваться некоторый примесный фон.

Рисунок 5.1. Конструкция p-i-n фотодиода

В основе работы фотодиода лежит обратно смещенный p — n переход. При нулевом смещении (Е_СМ = 0) ток дрейфа, протекающий через переход, сбалансирован противоположными токами из-за диффузии основных носителей. При Е_СМ¹ 0 диффузия прекращается. Фототок возникает при освещении i – слоя излучением определенной длины волны. При этом.образуются пары «электрон – дырка». На них воздействует поле, созданное источником Е_СМ и сосредоточенное в i – слое. Это поле заставляет дрейфовать электроны и дырки. Создается фототок дрейфа

(5.1)

где е – заряд электрона (1,6 ´ 10 ^-19 Кл), N – число электронов, прошедших из валентной зоны в зону проводимости. Однако, не все фотоны вызывают образование пар «электрон – дырка». По этой причине вводится понятие квантовой эффективности:

(5.2)

— соотношение числа электронов и фотонов в фотодетекторе.

Величина фототока определяется

(5.3)

Учитывая, что число фотонов зависит от мощности излучения

(5.4)

величина фототока может быть представлена

(5.5)

где h – постоянная Планка, с – скорость света, l — длина волны излучения.

Чувствительность фотодиода оценивается

(5.6)

Для фотодиодов характерна спектральная чувствительность за пределами длины волны

(5.7)

На рисунке 5.2 приведены характеристики спектральной чувствительности фотодиодов на основе кремния Si и германия Ge.

Завалы спектральной характеристики обусловлены длинноволновой границей чувствительности и шунтирующим действием емкости запертого p — n перехода на высоких частотах, когда из-за высокой энергии фотоны не успевают взаимодействовать атомом материала.

Полоса детектируемых частот фотодетектора оценивается на уровне 0,707 от максимальной чувствительности.

Эквивалентная электрическая схема фотодиода позволяет оценивать частотные свойства фотодетектора для электрических сигналов (рисунок 5.3).

Рисунок 5.2. Спектральная чувствительность фотодиодов

Рисунок 5.3. Эквивалентная электрическая схема фотодиода

На вольт-амперной характеристике фотодиода можно увидеть предельное значение Е_СМ (т.е. Е_проб) и величину темнового тока, протекающего через прибор при отсутствии освещения (рисунок 5.4).

Темновой ток чаще всего обусловлен поверхностным током утечки. Он сильно зависит от температуры.

Быстродействие фотодиода зависит от времени нарастания фототока при воздействии на фотодиод импульса оптической мощности (рисунок 5. 5).

Рисунок 5.4. Вольт-амперная характеристика фотодиода

Рисунок 5.5. Характеристика быстродействия

Величина t _б определяется временем дрейфа носителей через i-область. Поэтому для увеличения быстродействия желательно уменьшить толщину i – слоя для электрического тока и сохранять толщину для светового потока. Это реализовано в конструкции фотодиода в форме «мезы» – горы [13].

Электрическая схема включения фотодиода приведена на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6. Схема включения p-i-n фотодиода

В схеме включения разделительная емкость С_р позволяет устранить высокое напряжение смещения Е_см (до 30 В) со входа малошумящего усилителя.

Динамический диапазон входных оптических мощностей для схемы фотодиода с усилителем может достигать 60 дБ.

Фотодиод, фототранзистор, фототиристор, оптрон, разновидности индикаторов

Фотодиод

Рассмотрим устройства, основные физические процессы, характеристики и параметры фотодиода.

Устройство и основные физические процессы.

Изобразим упрощенную структуру фотодиода (рис. 1.126, а) и его условное графическое обозначение (рис. 1.126, б).

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле p-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения

u

ак

между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем в соответствии со сделан­ным замечанием о разделении электронов и дырок

u

ак

> 0 (дырки переходят к аноду, а электроны — к катоду).

Характеристики и параметры.

Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода (рис. 1.127).

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n-перехода носители электрода движутся к электродам (дырки — к электроду слоя

p

, электроны — к электроду слоя

n

). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Режим фотогенератора имеет место при

u

> 0 и

i

< 0 (четвертый квадрант). При этом диод отдает энергию во внешнюю цепь (

u

·

i

< 0). В этом режиме работают солнечные элементы. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет снижаться.

Режим фотопреобразователя соответствует соотношениям

u

< 0 и

i

< 0 (третий квадрант). В этом режиме фотодиод потребляет энергию (

u

·

i

> 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 1.128).

Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображают в первом квадранте (рис. 1.129).

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10⁷

—

10¹⁰ Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки). Изобразим соответствующие току светодиода 20 мА характеристики фотодиода, входящего в оптопару АОД112А-1 (рис. 1.130, а).

При этом ток

i

и напряжение

u

фотодиода соответствуют обычным для диодов условно-положительным направлениям (рис. 1.130,6).

Фототранзистор и фототиристор

Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но теперь положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока).

Свойства фототиристора подобны свойствам обычного тиристора, однако с той лишь особенностью, что включение тиристора осуществляется не с помощью импульса тока управления, а с помощью светового импульса.

Оптрон (оптопара)

Оптрон — полупроводниковый прибор, содержащий источник излучения и приемник излучения, объединенные в одном корпусе и связанные между собой оптически, электрически или одновременно обеими связями. Очень широко распространены оптроны, у которых в качестве приемника излучения используются фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и фототиристор.

В резисторных оптронах выходное сопротивление при изменении режима входной цепи может изменяться в 10⁷ … 10⁸раз. Кроме того, вольт-амперная характеристика фоторезистора отличается высокой линейностью и симметричностью, что и обусловливает широкую применимость резисторных оптопар в аналоговых устройствах. Недостатком резисторных оптронов является низкое быстродействие — 0,01 … 1 с.

В цепях передачи цифровых информационных сигналов применяются главным образом диодные и транзисторные оптроны, а для оптической коммутации высоковольтных сильноточных цепей — тиристорные оптроны. Быстродействие тиристорных и транзисторных оптронов характеризуется временем переключения, которое часто лежит в диапазоне 5…50 мкс. Для некоторых оптронов это время меньше.

Рассмотрим несколько подробнее оптопару светодиод-фотодиод. Дадим условное графическое обозначение этой оптопары (рис. 1.131, а).

Напомним, что излучающий диод (слева) должен быть включен в прямом направлении, а фотодиод — в прямом (режим фотогенератора) или в обратном направлении (режим фотопреобразователя).

Воспользуемся общепринятым выбором условно-положительных направлений для токов и напряжений диодов оптопары (рис. 1.131,6).

Изобразим зависимость тока i_вых от тока i_вx при

u

вых

= 0 для оптопары АОД107А (рис. 1.132).

Указанная оптопара предназначена для работы как в фотогенераторном, так и в фотопреобразовательном режиме.

Разновидности индикаторов

К основным типам индикаторов относятся:

● полупроводниковые индикаторы (ППИ),

● вакуумные люминесцентные индикаторы (ВЛИ),

● газоразрядные индикаторы (ГРИ)

● жидкокристаллические индикаторы (ЖКИ).

Простейшими ППИ являются светодиоды. Помимо них выпускаются цифровые и буквенно-цифровые, одно- и многоразрядные, шкальные и матричные ППИ. Они характеризуются высокой яркостью, большим сроком службы, низким рабочим напряжением, имеют малую инерционность и очень стойки к механическим воздействиям.

ВЛИ представляют собой вакуумный триод, содержащий прямонакальный катод, сетку и несколько анодов, покрытых люминофором и расположенных в одной плоскости. При подаче напряжения накала катод испускает электроны, которые под действием электрических полей сетки и анодов устремляются к анодам, и люминофор анодов начинает светиться.

Индикаторы этого типа обладают большой яркостью и долговечностью, незначительной потребляемой мощностью и хорошо сопрягаются с микросхемами на МДП-структурах.

Газоразрядные индикаторы до появления ВЛИ и ППИ были основными приборами техники индикации. И сейчас они широко применяются из-за высокой яркости, малой потребляемой мощности и высокого быстродействия. Но значительные рабочие напряжения (сотни вольт) не позволяют подключить ГРИ непосредственно к микросхемам.

Практически все ГРИ представляют собой газоразрядные диоды, содержащие один или несколько катодов и анод. При увеличении разности потенциалов между анодом и некоторым катодом ток через такой диод резко возрастает, а газ начинает светиться.

ЖКИ имеют небольшие размеры, питаются от источника с низким напряжением, потребляют очень малую мощность (не более 100 мкВт) и обеспечивают хорошую четкость знаков при самом различном наружном освещении.

Поясним подробнее, что же такое жидкие кристаллы. Среди большого количества различных веществ, находящихся в жидком состоянии, значительная часть состоит из молекул, имеющих форму нити. Под воздействием электрического поля и в определенном диапазоне температур (10 … 55°С) в таких веществах возникает специфический эффект динамического рассеивания, в результате которого их коэффициент преломления (как для проходящего, так и для отраженного света) изменяется, и жидкость, непрозрачная в нормальном состоянии, начинает пропускать свет (она оказывается подобной твердому кристаллу). Таким образом, сами жидкокристаллические индикаторы света не излучают. Для них необходимы источники постороннего света той или иной длины волны.

Фотодиод | Электроника для всех

Наверняка многим захочется присобачить к AVR фотодетектор, чтобы отслеживать хотя бы наличие или отсутствие света. Это полезно как для роботостроителей, так и для тех кто делает всякую автоматику. Итак, кратко опишу какие бывают фотодетекторы.

Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая сероватая зигзагообразная дорожка. При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.

Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.

Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.

В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.
(далее…)

Read More »

фотодиодов и других световых датчиков [Analog Devices Wiki]

Джеймс Брайант

Эта статья была написана, чтобы ответить на ряд вопросов, с которыми автор столкнулся, как инженер по аналоговым приложениям, относительно характеристик фотосенсоров и схем интерфейса фотодатчиков — как для приложений переменного, так и постоянного тока. За исключением того, что все они используют фотосенсоры и схемы их интерфейса, речь идет не о цифровой фотографии, спектрофотометрии, оптической сигнализации, системах безопасности, робототехнике или любой другой системе, зависящей от фотосенсоров — это просто интерфейс от оптического сигнала к электронному. В основном тексте обсуждается принцип работы большинства фотоэлементов в не слишком требовательных приложениях — в многочисленных сносках упоминаются эффекты второго и третьего порядка, которые иногда могут быть важны, но обычно их можно проверить, а затем проигнорировать.

Для целей этой статьи свет состоит из электромагнитного излучения видимого диапазона (длины волн приблизительно 400-800 нм), ближнего инфракрасного диапазона ^[1] (IR-A: 800-1400 нм или, возможно, немного больше) и ближнего ультрафиолетового диапазона. ^[1] (УФ-A: 320-400 нм или, опять же, возможно, немного больше) областей.Не все датчики света реагируют на все длины волн в этом диапазоне, и при выборе одного из них важно знать, как его чувствительность зависит от длины волны.

В основном мы будем обсуждать фотодиоды, поскольку они являются самыми дешевыми датчиками света и, как правило, самыми простыми в использовании, но есть несколько других датчиков света, о которых инженеры-аналоговики должны знать.

Вакуумные фотоэлементы

Рис. 1A Фототрубка — первый фотосенсор

Первым таким датчиком была «фототрубка» или «фотоэлектрический элемент» (рис. 1A), который состоит из фоточувствительного катода в вакуумной (или, иногда, газовой) трубке, которая при освещении испускает электроны, которые движутся к положительно смещенному аноду, позволяя течь току, пропорциональному интенсивности света.Простые вакуумные фотоэлементы сегодня используются редко, но фотоэлементы, которые используют вторичное излучение от нескольких электродов (динодов) со ступенчатыми потенциалами (рис. 1B) для умножения каждого электрона от фотокатода на величину до 160 дБ , являются важными фотодатчиками в ядерных и элементарных системах. физика, астрономия, медицинская визуализация, сканирование кинофильмов, радиолокационные контрмеры и высококачественные сканеры изображений, известные как барабанные сканеры. Их сочетание высокого усиления, низкого уровня шума, очень быстрого отклика и большой площади светосбора в настоящее время не может сравниться ни с одной твердотельной схемой, а фотоумножители представляют собой применение технологии электронных ламп, которая все еще находится на переднем крае ценных электронных технологий. Технология также используется в приборах ночного видения.

Рис. 1B Фотоумножитель — упрощенная схема и реальное устройство

Фоторезисторы

Другой тип светового датчика использует изменение электрического сопротивления в зависимости от освещенности некоторых материалов (наиболее распространенными являются сульфид кадмия [CdS] и селенид / сульфид кадмия [Cd ₂ SeS]) для создания «фоторезисторов ^[2] » . До недавнего времени такие фоторезисторы были самой распространенной формой фотосенсоров, несмотря на их медленную реакцию на изменение светового потока, но комбинированное воздействие более низких цен на фотодиоды и юридических ограничений на использование кадмия из-за его токсичности ^[3] привело к сокращению их использования в последнее время. лет.

Рис 2 Недорогой фоторезистор CdS

Фоторезисторы по-прежнему широко используются в сочетании с переменным источником света (первоначально лампа накаливания — теперь почти всегда светодиод) в качестве изолированных переменных резисторов ^[4] — поскольку они являются резисторами, они не поляризованы (они могут быть подключены любым способом. ) и будет работать с переменным током.

Рис.3 Регулировка усиления фоторезистора

Фоторезисторы, использующие более экзотические материалы (сульфид свинца [PbS], антимонид индия [InSb] и германий, легированный медью), неоценимы и в настоящее время незаменимы в качестве фотоприемников в средней и дальней инфракрасной области.

Проводимость ^[5] фоторезистора пропорциональна интенсивности падающего на него света. Это означает, что ток в фоторезисторе с фиксированным напряжением на нем пропорционален падающему свету (постоянная пропорциональности будет зависеть от длины волны и температуры устройства — подробности см. В техническом паспорте ^[6] устройства) .

В дополнение к их фотоустойчивости существует также очень высокая (мегом или десятки мегомов) «утечка» или «темновое сопротивление» параллельно с ним, что позволяет протекать очень небольшому току, когда устройство не освещено.В некоторых устройствах CdS это темновое сопротивление может зависеть от того, освещалось ли устройство в течение последних нескольких часов или даже дней, что делает такие фоторезисторы непригодными для очень точных измерений, поскольку их утечка зависит от их недавней истории освещения.

Фотодиоды и фототранзисторы

Большая часть статьи касается фотодиодов. Полупроводниковый диод — это кристаллический кусок полупроводникового материала, содержащий p-n-переход с подключениями к P- и N-областям — его работа обсуждается в Приложении A.Все полупроводниковые диоды в некоторой степени являются фотодиодами, но некоторые из них гораздо более чувствительны, чем другие.

В целях упрощенного анализа мы можем смоделировать фотодиод как идеальный (нефоточувствительный) диод, подключенный параллельно светозависимому источнику тока. Этот источник тока является довольно линейным — ток более или менее пропорционален падающему свету в диапазоне 1000: 1 или лучше — но диапазон длин волн, к которому он чувствителен, зависит от материала, из которого изготовлен диод.

(Его обратный ток утечки слишком мал, чтобы быть очевидным.)

Идеальный диод с обратным смещением (, т. Е. , его анод отрицателен по отношению к катоду) действует как изолятор, но имеет небольшой температурно-зависимый ток утечки, в значительной степени не зависящий от напряжения обратного смещения ^[7] , которое удваивается с каждые 10 ° C повышение температуры устройства. Параллельно диоду имеется небольшая емкость, которая уменьшается по мере увеличения обратного смещения.

При прямом смещении (положительный анод) ток диода экспоненциально возрастает с увеличением напряжения (уравнения см. В Приложении A), но с практической точки зрения ток слишком мал, чтобы иметь значение, пока не будет достигнуто «пороговое» или «колено» напряжения. Это напряжение зависит от материала диода и может варьироваться от 200 мВ для кремниевых диодов Шоттки до примерно 4 В для синих светодиодов, использующих нитрид галлия — нормальные кремниевые диоды имеют порог около 700 мВ .Пороговое напряжение уменьшается с повышением температуры устройства, а параллельная емкость диода с прямым смещением увеличивается с увеличением напряжения смещения.

Рис.5 Идеальный полупроводниковый фотодиод

Фотодиод с подсветкой содержит идеальный диод и источник тока, зависящий от света (и некоторую переменную емкость по напряжению). Фототок — это KL, где K — постоянная величина, зависящая от фотодиода и длины волны света, а L — интенсивность света (обратите внимание, что K является характеристикой конкретного фотодиода, а не k , которая — постоянная Больцмана — 1.3806E-23 JK ^-1 ). Если фотодиод разомкнут или нагружен только с очень высоким сопротивлением, анод будет достаточно положительным, чтобы фототок протекал в диоде, а напряжение на фотодиоде будет пропорционально логарифму интенсивности света. Это поведение можно измерить, используя операционный усилитель электрометра с очень низким током смещения, такой как AD549 (I _b ~ 40 фА), но фотодиоды редко используются именно таким образом.

Есть два практических режима работы фотодиода — фотопроводящий режим и фотоэлектрический режим.

Рис. 6 Фотодиод в фотопроводящем режиме

Если фотодиод смещен в обратном направлении, его ток будет суммой его утечки и фототока, а его емкость будет меньше, чем при прямом смещении, что удобно при измерении модулированного ВЧ света. Соответствующая схема предназначена для усиления этого тока. Это светопроводящий режим работы. (Можно усилить фототок несмещенного фотодиода, введя его в суммирующий переход операционного усилителя, но его емкость немного выше в этом «режиме фотоэлектрического тока».)

Мало того, что диоды светочувствительны — большинство транзисторов, которые, в конце концов, также содержат P-N переходы, также являются светочувствительными. Полвека назад электронным экспериментаторам-любителям было хорошо известно, что если удалить черную краску со стеклянного корпуса германиевого транзистора Mullard ^[8] OC71, он станет светочувствительным — фактически, он имел почти такие же характеристики, как и фототранзистор OCP71, который стоит в пять раз дороже! Мало кто покупал более дорогую деталь, пока в конце концов Маллард не изменил дизайн корпуса OC71, так что удаление краски все еще не позволяло свету достигать структуры транзистора.

Фототранзистор — это транзистор, переход база-коллектор намеренно сделан более светочувствительным. Часто он не имеет подключения к внешней базе. Фототок диода протекает в цепи база-эмиттер и усиливается коэффициентом усиления транзистора по току ß. Таким образом, чувствительность фототранзистора в ß (~ 30-200) раз больше, чем у аналогичного диода. Однако времена переключения фототранзисторов с неподключенной базой медленные (типичные фототранзисторы имеют время нарастания и спада порядка 10-20 мкс, а самые быстрые — всего 500-1000 нс ).Они всегда используются в режиме фотопроводимости, описанном выше, и могут быть удобны, когда для работы реле требуется одно светочувствительное устройство. Если соединение с базой доступно, подключение резистора от базы к эмиттеру снижает светочувствительность и увеличивает порог включения, но улучшает время десатурации и, следовательно, ускоряет выключение транзистора.

Рис. 8 Фотодиод, используемый в (фотоэлектрическом) режиме напряжения

Если фотодиод зашунтирован с резистором, выбранным таким образом, чтобы при протекании максимального ожидаемого фототока ^[9] в нем напряжение было на 20% ниже порогового напряжения диода, схема будет иметь выходное напряжение, пропорциональное падающему свету. и выходной импеданс, равный величине резистора (шунтированного емкостью диода).В этой фотоэлектрической конфигурации соответствующая схема управляется напряжением.

Если мы зайдем на веб-сайты основных дистрибьюторов электронных компонентов, мы обнаружим, что самые дешевые фотодиоды стоят около 15 и являются чувствительными к инфракрасному (ИК) кремнию с пороговым напряжением около 700 мВ , тогда как самые дешевые светодиоды стоят менее 4 и имеют порог в 2-5 раз больше. Эти недорогие светодиоды чувствительны к видимому свету и во многих случаях столь же чувствительны, как и специализированные фотоэлементы, когда используются как таковые. Конечно, специализированные фотодиоды охарактеризованы и испытаны на соответствие спецификациям фотодиодов и, вероятно, будут иметь более быстрое время отклика, чем светодиоды, но светодиоды нетрудно охарактеризовать, их можно выбрать по определенным спектральным характеристикам и часто они могут служить двойной цели в системе. , действующий как индикатор и измеритель внешней освещенности, или как оптический передатчик и приемник. Микроконтроллер ATMega328, используемый в Arduino (и ADuC7023 от Analog Devices и многие другие их аналоговые микроконтроллеры, включая их последние ^[10] ADuCM320), имеет несколько портов, которые можно настроить как как цифровые входы / выходы, так и как аналоговые с очень высоким импедансом. входы цифрового преобразователя (АЦП).Светодиод и два резистора на таких портах позволяют одному выводу управлять индикатором и измерять внешнюю освещенность.

Светодиоды, используемые в качестве фотодиодов, нечувствительны к длинам волн, превышающих их собственную пиковую выходную длину волны. Конечно, если они заключены в цветной пластик, это повлияет на их реакцию, но светодиоды из прозрачного пластика ^[11] часто, но далеко не всегда (проверьте устройство, которое вы собираетесь использовать), имеют довольно широкий отклик на длины волн короче собственных ^[12] .Кремниевые фотодиоды более чувствительны в ближнем ИК-диапазоне до 1000 нм и менее чувствительны к видимым длинам волн ^[13] .

Одноцветные светодиоды представляют собой простые диоды и имеют более или менее монохроматический световой поток ^[14] и, конечно же, многоцветные светодиоды представляют собой просто массивы из двух или более одноцветных светодиодов. Белые светодиоды изготавливаются разными способами и довольно сложны. Большинство из них действуют как фотодиоды, но их характеристики, вероятно, также будут более сложными — это не означает, что они не могут использоваться в качестве фотодиодов, но предупреждение о том, что их спектральная чувствительность и их электронные характеристики могут нуждаться в тщательной проверке, когда делать это. Само собой разумеется, что сложные устройства, содержащие светодиоды и другие схемы ^[15] , не подходят для использования в качестве фотодиодов.

Приложение B содержит краткое обсуждение методов измерения фотоэлементов, которые позволяют просто характеризовать светодиод как фотодиод.

Лабораторная деятельность: светодиоды как датчики света

Применение фотоэлементов

В этом разделе мы обсудим интерфейс между фотосенсором и связанной с ним электроникой.На самом деле существует всего два применения фотоэлементов — измерение света и прием модулированного света.

Когда мы измеряем свет, мы можем измерять его интенсивность или просто определять, присутствует ли он. Мы видели, что фотодиоды имеют фототок, а фоторезисторы имеют проводимость, пропорциональную падающему на них свету (в этом разделе мы не будем обсуждать изменение спектральной чувствительности). Если мы измеряем фототок (в случае фоторезистора с определенным напряжением смещения), мы можем измерить падающий свет.

Для фотометрии (люксметры, экспонометры, системы управления освещением с обратной связью и т. Д.) Мы можем захотеть сделать это точно, для многих приложений с фотоэлементами нам просто нужно знать, присутствует ли свет или нет — хотя, почти всегда, «присутствует» «На самом деле означает присутствие выше некоторого низкого уровня окружающей среды. Если свет, который мы обнаруживаем, является выходом светодиода, и может присутствовать другой свет, обычно лучше модулировать выход светодиода и различать модулированный свет и фоновое освещение.Мы обсудим это позже.

В классическом фотодетекторе используется фотоэлемент (фотодиод в токовом режиме или фоторезистор), включенный последовательно с резистором R _s и транзистором. Резистор выбирается таким образом, чтобы при достаточно большой интенсивности света транзистор включался или выключался.

Транзистор может быть биполярным переходным транзистором (BJT), транзистором Дарлингтона или полевым МОП-транзистором. В прошлом BJT часто использовались как более дешевые, чем MOSFET, но теперь это уже не так, и лучшим выбором на самом деле является MOSFET.Его выходом может быть реле или резистор с логическим выходом, взятым со стока / коллектора, или сток / коллектор с разомкнутой цепью, предназначенный для логического соединения «проводное ИЛИ». Можно использовать устройства N-канал / NPN или P-канал / PNP, но поскольку задействованная схема одинакова для обоих, за исключением обратной полярности, все примеры и расчеты в этой статье предполагают использование N-канальные / NPN устройства.

Достаточно сложно написать алгоритм для определения значения R _s , поэтому оно часто определяется экспериментально (или даже регулируется с помощью потенциометра в каждой отдельной системе!). Это потому, что обычно трудно предсказать интенсивность света на фотоэлементе в данной системе, и во многих случаях также трудно определить чувствительность фотоэлемента к фактическому цвету используемого света.

Пороговое напряжение, В, , _-й, , транзистора — это входное напряжение (затвор-исток или база-эмиттер), при котором его выход (сток или коллектор) начинает проводить. У разных производителей используются разные символы ( V _{gs (th)} , V _gs0 и т. Д.). Значения порогового тока для «начала проведения» будут варьироваться от устройства к устройству, но поскольку небольшие изменения входного напряжения в этой области вызывают большие изменения выходного тока, обычно не имеет большого значения для наших расчетов, какое значение порогового тока выбрано.

Биполярный транзистор включается, когда его напряжение база-эмиттер составляет около 700 мВ, , биполярный транзистор Дарлингтона около 1300 мВ , а полевой МОП-транзистор слабого сигнала обычно имеет В, _th в диапазоне 900-2400 . мВ (RTFDS ⁶⁾ Высоковольтные полевые МОП-транзисторы могут иметь более высокие значения, но не часто используются в схемах фотоэлементов.

Рис.9 Классический фотодетектор — транзистор проводит при наличии света
(на схеме показаны возможные устройства, которые можно использовать)

В обычной схеме транзистор проводит в присутствии света, включает нагрузку реле или создает логический 0 на N-канальном / NPN стоке / коллекторе.Падение напряжения на R _s должно быть равно V _th , когда в нем протекает I _t (ток фотоэлемента на пороге переключения). С фотодиодом I _t более или менее не зависит от его напряжения смещения, поэтому

[1]

но с фоторезистором

[2]

или же

[3]

где V _s — напряжение питания, а R _t — пороговое сопротивление (или G _t — пороговая проводимость) фоторезистора. Это дает значение R _s , определяемое уравнениями

[4]

или же

[5]

Рис. 10 Классический инвертирующий фотодетектор — транзистор ведет себя при отсутствии света
(на схеме показаны возможные устройства, которые можно использовать)

В другом устройстве (инвертирующий фотодетектор) транзистор выключен при наличии света, отключая релейную нагрузку или создавая логическую 1 на N-канальном / NPN стоке / коллекторе.В этом случае падение напряжения на R _s должно быть равно ( V _s — V _th ), когда в нем протекает I _t (ток фотоэлемента на пороге переключения). Опять же, уравнение фотодиода простое

[6]

но с фоторезистором

[7]

или же

[8]

где V _s — напряжение питания, а R _t — пороговое сопротивление (или G _t — пороговая проводимость) фоторезистора. Это дает значение R _s , определяемое уравнениями

[9]

или же

[10]

Фотодиод, работающий в фотоэлектрическом режиме, также будет действовать как фотодетектор. Его шунтирующий резистор R _s выбран таким образом, чтобы, когда в нем протекает I _t , напряжение равно В, , _-й, устройства, которым он управляет.

[11]

Очевидно, что материал фотодиода, выбранный для этого применения, должен иметь пороговое напряжение проводимости, превышающее В, , _, .Обычно это означает, что используемый таким образом фотодиод не будет кремниевым устройством ^[16] .

Рис. 11 Фотодетектор с использованием фотодиода в фотоэлектрическом режиме
В _{-й (фотодиод)} > В _{-й (транзистор)}
(на схеме показаны возможные устройства, которые могут быть использованы — он не работает с фоторезистором).

Если биполярное устройство — BJT или даже Дарлингтона — используется в любой из схем на рисунках 9-11, его минимальный базовый ток при полностью включенной нагрузке должен составлять не более 20% от I _t .Если сопротивление нагрузки коллектора (резистор или реле) составляет R _L , а напряжение питания В _с , ток коллектора будет В, _с / R _L , а минимальный базовый ток I _{b. (мин)} , В _с / ßR _L где ß — коэффициент усиления по току биполярного устройства. Так

и поэтому [12]

в противном случае базовый ток, необходимый для переключения биполярного устройства, может быть слишком большим для питания сети, образованной фотоэлементом и R _s .Если нагрузка представляет собой реле и невозможно использовать реле с достаточно большим R _L , биполярное устройство следует заменить на полевой МОП-транзистор. (Разумно предположить, что в наихудшем случае минимальное значение ß для простого BJT равно 30, а для слабосигнального Дарлингтона — 500.)

Проблема со всеми этими схемами заключается в том, что если значение освещенности близко к пороговому значению, транзистор действует как (довольно) линейный усилитель и производит небольшие изменения выходного сигнала в ответ на электрический или оптический шум.Если в оптической части системы наблюдается большое изменение освещенности и нет задержек, близких к пороговому, это маловероятно, но в противном случае необходима другая схема.

В простейшей схеме используется входной логический вентиль триггера Шмитта. Это логические схемы с аналоговой положительной обратной связью на их входных каскадах, так что когда входное напряжение на логическом входе увеличивается с нуля, логический выход не изменяется до тех пор, пока на входе не будет (очень грубо) около 50-60% напряжения питания, когда выход меняет свое логическое состояние. Многие логические элементы имеют линейную область, в которой они действуют как усилители (низкого качества), но эти устройства очень быстро переключаются из одного состояния в другое, когда входной сигнал достигает порогового значения. Если теперь входной сигнал уменьшен, выход не изменится обратно, пока входной сигнал не уменьшится примерно на 30% от напряжения питания. (Обратите внимание, что эти значения довольно широко варьируются в зависимости от типа устройства, используемого напряжения питания и даже от устройства к устройству — эти устройства имеют отличный гистерезис, но не являются точными датчиками уровня.)

Рис. 12. Фотодетекторы с гистерезисом
(На этой схеме показаны возможные конфигурации устройства ввода и дополнительный драйвер реле.)

Такие входные логические вентили Шмитта доступны с диапазонами питания от 2 В, до 18 В, (ни одна деталь не имеет такого широкого диапазона, но доступны детали, которые могут использоваться с любым источником питания от 3 В до 18 В ). Они доступны в традиционных пакетах DIL и SOT с 4 или 6 затворами в упаковке (например, «серия 4000» 4093 и 40106) или в виде одиночных или двойных буферов или инверторов в крошечном корпусе SO-23 всего за 6 центов. в большом количестве (Toshiba TC4S584F и многие другие).

Диапазон пороговых напряжений для различных источников питания будет указан в паспорте и может использоваться в уравнениях [1] [4] [5] [6] [9] [10] и [11]] для расчета подходящих значений R _{. с} .

Эти ворота Шмитта недороги, удобны и просты в использовании, но не очень точны. Тем не менее, они достаточно точны для многих операций по определению порога освещенности и, вероятно, являются идеальным выбором для большинства приложений, не связанных с измерением освещенности.Мы могли бы заменить его триггером Шмитта, построенным из дискретных компонентов, но это будет стоить дороже, потреблять больше компонентов и площади платы и почти наверняка потреблять больше энергии. Выход этих входных вентилей Шмитта представляет собой логический уровень (некоторые из них являются инверторами, некоторые — буферами — убедитесь, что вы знаете, что используете — тот, который показан на рис. 12, является неинвертирующим буфером). Если требуется срабатывание реле, запустите его с помощью полевого МОП-транзистора, подключенного к выходу Шмитта. Это также показано на рис. 12 в качестве опции.

Если нам нужна более высокая точность, необходим компаратор (или АЦП — см. Ниже). Компаратор — это устройство с двумя входами и логическим выходом ^[17] . Выход указует, какой из двух входов более положительная, чем другие, так что, если мы подключить фотоэлемент последовательно с сопротивлением по напряжению V _х и центрального кран на один вход компаратора и опорное напряжение ( V исх) к другому логика будет указывать достаточно точно или нет больше или меньше, чем опорное напряжение, напряжение сигнала в цепи фотоэлемента.При соответствующей калибровке это позволяет нам проводить точные сравнения освещенности. Компаратор также может управляться фотодиодом, работающим в фотоэлектрическом режиме.

Компараторы иногда имеют встроенный гистерезис и почти всегда могут иметь гистерезис, добавленный простой дополнительной схемой. На рис. 13 показано, как это делается с двумя резисторами (которые можно не использовать, если гистерезис не нужен). В статьях, упомянутых в сноске ^[17] , более подробно обсуждаются правильные номиналы резисторов и другие вопросы, касающиеся компараторов.

Рис. 13 Точный фотодетектор с использованием компаратора
(на схеме показаны возможные конфигурации, которые можно использовать)

Уравнения, связывающие характеристики фотоэлементов, В, , _{, ссылка} и R _{, s} , очень похожи на уравнения [1] — [10], за исключением того, что В, , _-й, , становится опорным напряжением В, , _{, ссыл.} .

Лучший способ точно измерить диапазон выходных сигналов фотоэлементов — это использовать схему аналогового интерфейса, используя операционный усилитель или управляя подходящим аналого-цифровым преобразователем (АЦП) непосредственно с фотоэлемента.

Рис.14.Цепи фотодиодов с выходом напряжения

Выходы схем фотодиодов на рис. 14 представляют собой напряжения, пропорциональные падающему свету, которые могут быть усилены операционным усилителем или отправлены непосредственно на вход АЦП с достаточно большим Z _в , чтобы он не загружал схему управления. Это.

Рис.15 Цепи фоторезистора с выходным напряжением (нелинейные)

Выходные напряжения схем фоторезисторов на рис. 15, хотя и вполне предсказуемы, не просто пропорциональны падающему свету и требуют линеаризации — это одна из причин, почему лучше использовать фотодиоды, чем фоторезисторы.

Рис.16 Упрощенная схема входа АЦП с коммутируемым конденсатором

Вход многих, если не большинства, АЦП содержит коммутируемые конденсаторы, которые потребляют токи высокой частоты (ВЧ). Следовательно, на входе должен быть небольшой конденсатор для заземления очень близко к АЦП, чтобы гарантировать, что эти ВЧ-токи протекают на местную землю, а не на фотоэлемент, буферный усилитель или другое место в системе ^[18] .

Рис.17 Разделение аналоговых входов АЦП

Прочтите техническое описание АЦП и любые примечания по применению, чтобы обсудить подходящие значения и их влияние на производительность АЦП и системы, в которой он используется.

Лучшим интерфейсом между фотодиодом и операционным усилителем является преобразователь тока в напряжение, который также работает с фоторезистором, при условии, что напряжение смещения фоторезистора поддерживается постоянным. Это показано на рис. 18.

Рис.18 Схема преобразователя ток-напряжение от фотоэлемента

Ток от фотоэлемента течет в суммирующий переход на инвертирующем входе операционного усилителя. Отрицательная обратная связь работает для поддержания одинакового напряжения на инвертирующем и неинвертирующем входах, поэтому выходное напряжение на R _fb заставляет ток в нем быть равным току фотоэлемента.Очевидно, что для этой схемы требуется операционный усилитель с током смещения, намного меньшим, чем фототок, поэтому в таких схемах обычно используются операционные усилители с полевым транзистором.

Если мы хотим измерить фототок переменного тока, но не интересуемся постоянным током или случайно изменяющимся фототоком из-за окружающего света, есть два возможных метода. Самый простой способ — ограничить усиление усилителя, показанного на рис. 18, путем уменьшения R _fb , чтобы усилитель не перегрузился из-за максимально возможного фототока переменного и постоянного тока, с которым может столкнуться система.Затем переменная составляющая сигнала емкостно связана со вторым усилителем с коэффициентом усиления, достаточным для данного приложения.

Или мы можем подключить фотоэлемент последовательно с подходящей катушкой индуктивности, которая будет заземлять постоянную составляющую его сигнала. Затем мы подключаем сигнал переменного тока к усилителю. Если полоса пропускания сигнала мала, индуктор можно зашунтировать с помощью конденсатора, чтобы создать параллельную LC-цепь с подходящей добротностью, чтобы получить узкую полосу пропускания и высокое внутриполосное усиление. Если используется настроенная схема, она должна управлять усилителем напряжения с высоким входным сопротивлением, чтобы не ухудшать добротность.Этот усилитель не должен приводить в действие индуктивную нагрузку, иначе взаимодействие нагрузки и емкости обратной связи («Миллера») может вызвать нестабильность.

Рис.19.Нагрузка фотоэлементов с настроенной узкой схемой и усилителем переменного тока.

Если ненастроенная катушка индуктивности используется в качестве простого импеданса с высоким переменным током / низким постоянным током, изменения импеданса с частотой можно избежать, используя преобразователь переменного тока в напряжение (трансимпедансный усилитель), а не усилитель напряжения. Это эффективно закорачивает катушку индуктивности при переменном токе (поэтому она не работает с настроенной схемой), поскольку переменный ток от фотоэлемента течет к виртуальной земле инвертирующего входа усилителя.

Рис.20 Индуктивная нагрузка фотоэлемента с преобразователем переменного тока в напряжение

Индукторы для приложений, показанных на рис. 19 и 20, должны быть выбраны так, чтобы они могли выдерживать максимальный ожидаемый фототок без насыщения — это маловероятно, но не следует упускать из виду.

Фотодетекторы, использующие источник модулированного сигнала, о котором я упоминал ранее в этой статье, могут обнаруживать модуляцию, используя одну из вышеупомянутых схем усилителя и своего рода частотный детектор.Если сигнал оцифрован, доступно множество программного обеспечения для обнаружения тонального сигнала, но простая микросхема NE567 PLL , впервые изготовленная почти сорок лет назад компанией Signetics и все еще доступная от ряда производителей (префиксы меняются, но 567 постоянен) это все, что нужно для этого приложения.

Рис.21 Тональный детектор для систем с модулированным лучом, использующий 567 PLL

Значения C1 и C2 на приведенной выше диаграмме зависят от обнаруживаемой частоты тона.Для получения более подробной информации обратитесь к листу данных 567, но при входном переменном токе = 200 мВ среднеквадратичное значение частота тона F определяется C1, а ширина полосы обнаружения — C2. Уравнения следующие:

[13]

[14]

(BW рассчитывается как процент от F.)

Существует бесчисленное множество других применений фотосенсоров, но эта статья предназначена только для обсуждения их характеристик и способов их использования, а не для рассмотрения систем, в которых они используются.

Джеймс Брайант
Калшот — Англия
августа 2014 г.

Вернуться к предыдущей главе

Перейти к следующей главе

Вернуться к содержанию

ПРИЛОЖЕНИЕ A — Полупроводниковые диоды

В полупроводниковом P-N-переходе подвижные электроны (электроны зоны проводимости) из N-области диффундируют в P-область и «рекомбинируют» с дырками там, в результате чего область вокруг перехода обедняется носителями заряда и, по сути, изолятором.Этот процесс ограничен, поскольку положительные ионы-доноры в области N (оставленные диффундирующими электронами) и отрицательные ионы-акцепторы в области P (образующиеся при заполнении дырок) создают электрическое поле в зоне обеднения, которое предотвращает дальнейшее распространение электронов. диффузия. При комнатной температуре потенциал, вызванный этим механизмом, составляет примерно 700 мВ для простых кремниевых переходов, 300 мВ для германиевых диодов, 200 мВ для кремниевых диодов Шоттки и между 1.8 В (ИК и красный) и 4 В (синий и УФ) для светодиодов разных цветов.

Если отрицательное внешнее напряжение смещения (часто называемое обратным смещением , ) приложено к области P, оно усиливает зону истощения, которая остается изолятором, но положительное напряжение смещения ( прямое смещение ) позволяет продолжаться рекомбинации и течет ток. на стыке. Уравнение ^[19] , связывающее этот ток ( I ) с напряжением смещения ( В, ), имеет следующий вид:

[15]

где I _s — «ток шкалы» или «ток насыщения обратного смещения», k — постоянная Больцмана (1. 3806E-23 JK ^-1 ), T — абсолютная температура, q — заряд электрона (-1,602E-19 C).

это не единственный член в уравнении, который зависит от температуры — ток шкалы, I _s , также удваивается при повышении температуры на 10 ° C.

При отрицательном (обратном) смещении (, то есть — В, положительный, а заряд электрона отрицательный, поэтому показатель степени большой и отрицательный) экспоненциальный член очень мал и.Однако обратный ток большинства диодов на самом деле намного больше, чем ток шкалы из-за производственных дефектов в PN-переходе, поэтому уравнение не очень точное для реальных диодов и обратного смещения — тем не менее, полный обратный ток обычно ведет себя примерно так же как ток шкалы в том смысле, что он практически постоянен с напряжением смещения и удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры. (Конечно, если обратное смещение приближается к напряжению пробоя диода или превышает его, его поведение становится намного более сложным — мы не будем обсуждать такое поведение в этой статье. )

Поскольку показатель степени намного больше единицы, уравнение для прямого тока можно упростить до

[16]

Таким образом, прямой ток экспоненциально связан с прямым напряжением — довольно небольшие изменения напряжения вызывают большие изменения тока. На практике это означает, что падение напряжения на обычном небольшом диоде или светодиоде при рабочих токах от 50 мкА до 20 мА будет увеличиваться с увеличением тока, но останется достаточно близким к потенциалу в зоне истощения, как упоминалось выше, i.е. 700 мВ для простых кремниевых переходов, 300 мВ для германиевых диодов, 200 мВ для кремниевых диодов Шоттки и от 1,8 В (ИК и красный) до 4 В (синий и УФ) для светодиодов разных цветов. При высоких токах, конечно, омическое сопротивление полупроводника и его соединений увеличивает ожидаемое для данного тока напряжение выше, чем предсказывается уравнением.

ПРИЛОЖЕНИЕ B — Измерительные фотодиоды

Основной принцип измерения характеристик фотодиода состоит в том, чтобы подвергнуть его воздействию известной интенсивности света на нескольких разных длинах волн, измерить фототок на каждой длине волны и построить кривую отклика.Это легко сделать, если у вас есть доступ к дорогому спектрофотометру, но в противном случае получить точно настраиваемый источник света довольно сложно.

Но некоторые фотоэлементы достаточно хорошо охарактеризованы, и можно сравнить отклик неизвестного фотоэлемента с откликом хорошо охарактеризованного на те же источники света. Получить высокоинтенсивные светодиоды различных цветов от УФ до ИК — дешево и легко, и в технических паспортах некоторых производителей очень хорошо описаны спектры их светодиодов.Если мы получим хорошо охарактеризованный (с точки зрения спектрального изменения чувствительности, не обязательно абсолютной чувствительности) фотоэлемент, охватывающий интересующий нас диапазон длин волн, и выберем шесть или семь 5-миллиметровых светодиодов с пиковыми длинами волн, достаточно равномерно распределенными в этом диапазоне, мы может выполнить довольно хороший спектральный анализ и анализ чувствительности характеристик неизвестного фотодиода, сравнив его отклик с откликом фотодиода с известными характеристиками в стандартных условиях.

Если калибровочный и проверенный фотоэлементы также находятся в 5-миллиметровой упаковке, это легко сделать: просверлите 5-миллиметровое отверстие в небольшом куске черного дерева, черного АБС, блока из углеродного волокна или другого темного материала.Вставьте по очереди светодиоды с одного конца и фотоэлементы с другого и сравните. Если ваш тестируемый фотодиод имеет другой диаметр, попробуйте найти калибровочный фотодиод того же диаметра и просверлите отверстие подходящего диаметра глубиной 10 мм в коаксиальное отверстие для светодиода глубиной 10 мм и 5 мм.

Рис.22 Испытательные стенды для использования светодиодов для измерений фотоэлементов

Помимо измерения спектральной чувствительности, может быть целесообразно измерить ток утечки, пороговое напряжение и, возможно, скорость переключения.Все это можно сделать с помощью цифрового цифрового видеомагнитофона среднего диапазона, генератора быстрых импульсов, светодиода с быстрым временем переключения и осциллографа 100 МГц . Процедуры оставлены в качестве упражнения для студента.

[1] Международная комиссия по освещению (CIE) рекомендует разделить инфракрасное и ультрафиолетовое излучение на следующие шесть диапазонов:
Инфракрасное
• IR-A: 700 нм — 1400 нм (215 ТГц — 430 ТГц)
• ИК -B: 1400 нм — 3000 нм (100 ТГц — 215 ТГц)
• IR-C: 3000 нм — 1 мм (300 ГГц — 100 ТГц)
Ультрафиолет
• УФ-A: 315 нм — 400 нм (750 ТГц — 950 ТГц)
(Подразделяется на УФ-A1 (315–340 нм) и УФ-A2 (340–400 нм)
• УФ-B: 280– 315 нм (950–1070 ТГц)
• УФ-C: 100 нм — 280 нм (1070 ТГц — 3000 ТГц)

[2] Характеристики фоторезисторов подробно обсуждаются на веб-сайте Selco Products по адресу
http: // www.selcoproducts.com/pdfs/CdS-Photocells%20Catalog.pdf

[3] Существует ряд фотоэлементов CdS и Cd2SeS, совместимых с ROHS, но многие старые типы не соответствуют требованиям.

[4] Такое же устройство когда-то использовалось и для цифровых изоляторов, но сегодня они почти всегда используют фотодиоды или фототранзисторы.

[5] Электропроводность проводника — это легкость, с которой электрический ток проходит через этот проводник. (Обычной) обратной величиной является его сопротивление — сопротивление прохождению электрического тока.Официальная единица измерения проводимости в системе СИ — Сименс (S), но старое название «mho» и символ (Ʊ) все еще довольно широко используются, потому что старый символ с меньшей вероятностью будет перепутан с символом на секунду (ы). . Единицей измерения сопротивления является ом (Ом). Соотношения между напряжением ( В, ), током (I), сопротивлением (R) и проводимостью (G) следующие: —

[6] Прочтите Friendly Data Sheet (RTFDS). RAQ по этой теме можно найти по адресу
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_caveat.pdf
и более длинные обсуждения на
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_datasheet.html
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_mpestions/moreInfo_raq_raq_. html
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_opampbiasCurrents.html
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/moreInfo_raq_dcS

[7] Иногда параллельно с источниками тока имеется очень высокое сопротивление, так что утечка незначительно изменяется в зависимости от приложенного напряжения, но этот эффект обычно незначителен.

[8] Mullard была компанией, производящей термоэмиссионные клапаны («трубки») в Англии в 1920-х годах. Она стала частью Philips в 1927 году, но продолжала использовать торговую марку Mullard для своих ламп и (с 1950-х годов) полупроводников до 1980-х годов.

[9] Или, при некоторых обстоятельствах, максимально желаемый — , то есть , максимально возможный свет иногда (довольно часто) может быть больше, чем нам нужно для измерения, поэтому проводимость диода при высоких уровнях света не важна.

[10] Август 2014 г.

[11] Пластик, который кажется прозрачным глазу, не может пропускать волны за пределами видимого спектра (УФ или ИК). Если это имеет значение для вашего приложения, прочтите лист данных (или, при необходимости, проведите простой эксперимент или два), чтобы узнать, так ли это.

[12] Я провел несколько онлайн-исследований по этому поводу и получил противоречивые «факты». Кажется, нет никаких сомнений в том, что некоторые светодиоды имеют довольно широкую спектральную чувствительность в качестве фотодиода, а другие чувствительны в довольно узком диапазоне (не по Гауссу — есть довольно резкий переход на более низких частотах (более длинная длина волны) и более постепенный спад при длина волны уменьшается).Я подозреваю, что современные светодиоды высокой яркости имеют более широкую полосу пропускания, но имеют лишь несколько домашних измерений, подтверждающих эту гипотезу.

Я намерен провести больше измерений и изменю эту сноску, когда сделаю это. Пожалуйста, напишите мне [A], если вы устали ждать, или [B], если у вас есть хорошие спектральные измерения отклика на одном или нескольких типах светодиодов.

[13] В RAQ 45 «Стеклянные диоды могут видеть свет и шум» упоминается светочувствительность небольших стеклянных кремниевых диодов, таких как 1N914 / 1N4148.При ярком солнечном свете они имеют фототок порядка 10 нА, но при освещении ближайшей (30 см / 1 фут) лампой накаливания мощностью 60 Вт фототок составляет около 30 нА, а примерно 2 нА среднеквадратичное значение 100 Гц рябь на нем, тем самым демонстрируя их большую чувствительность в ближнем инфракрасном диапазоне — и примерно 100 Гц модуляцию света лампы накаливания мощностью 60 Вт.

[14] Выходной спектр простого светодиода представляет собой не одну узкую линию, как спектральные линии в газовом разряде, а довольно широкую (но все же относительно узкую — ширину полосы в несколько процентов от пика) полосу длин волн с гауссовым распределением вокруг номинальная пиковая длина волны.

[15] Простой интегральный последовательный резистор в светодиоде не влияет на его использование в качестве фотодиода, в отличие от большинства других встроенных схем. Сюда входят ограничители тока с активными устройствами, диодные мосты, встроенные диммеры и мигалки.

[16] Кремниевый фотодиод с порогом 700, мВ, , используемый таким образом, может управлять МОП-транзистором с исключительно низким порогом или входным затвором Шмитта, используя очень низкое напряжение питания.

[17] Характеристики компаратора обсуждаются в статье, прилагаемой к RAQ 11 «Компараторы и операционные усилители — могут они никогда не встретиться» (или хороший совет от г-наPunch) «
http://www.analog.com/en/all-operational-amplifiers-op-amps/operational-amplifiers-op-amps/product/raq_jbryant_comparators_opamps_may_issue11/resources/faq.html?display=popup.
Статья находится по адресу
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/op-AmpsAsComparatorsv1.ppt.
Можно использовать операционный усилитель в качестве компаратора, но есть проблемы, которые также обсуждаются в этой статье. Несмотря на то, что он написан для обсуждения конкретной проблемы приложения, это полезная краткая справочная информация о свойствах и использовании компараторов.

[18] Считайте RAQ 22 на входах АЦП.
http://www.analog.com/static/imported-files/rarely_asked_questions/RAQ_highfrequency.pdf

[19] Это уравнение часто записывается относительно смещения в области N, и в этом случае полярность В, меняется на противоположную, и уравнение принимает вид

университет / курсы / электроника / текст / световые датчики-photodiodes.txt · Последнее изменение: 09 августа 2014 г., 16:37, dmercer

Оптимизация схемы прецизионного фотодиодного датчика

Фотодиоды — один из самых популярных датчиков типы для многих измерений на основе света.Такие приложения, как абсорбционная и эмиссионная спектроскопия, измерение цвета, мутности, обнаружение газов и т. Д., Используют фотодиоды для точного измерения освещенности.

Фотодиоды генерируют ток, пропорциональный свету, падающему на их активную область. В большинстве измерительных приложений используется трансимпедансный усилитель для преобразования тока фотодиода в выходное напряжение. На рисунке 1 показана упрощенная схема того, как может выглядеть эта схема.

Рисунок 1.Схема простого трансимпедансного усилителя.

Эта схема управляет фотодиодом в фотоэлектрическом режиме, где операционный усилитель поддерживает напряжение на фотодиоде на уровне 0 В. Это наиболее распространенная конфигурация для прецизионных приложений. Кривая зависимости напряжения от тока фотодиода очень похожа на кривую обычного диода, за исключением того, что вся кривая будет сдвигаться вверх или вниз при изменении уровня освещенности. На рис. 2а показана типичная передаточная функция фотодиода. Рисунок 2b представляет собой увеличенное изображение передаточной функции, и на нем показано, как фотодиод выдает небольшой ток, даже если нет света.Этот «темновой ток» растет с увеличением обратного напряжения на фотодиоде. Большинство производителей указывают темновой ток фотодиода с обратным напряжением 10 мВ.

Рис. 2. Типичная передаточная функция фотодиода.

Ток течет от катода к аноду, когда свет попадает на активную область фотодиода. В идеале весь ток фотодиода протекает через резистор обратной связи, показанный на рисунке 1, создавая выходное напряжение, равное току фотодиода, умноженному на резистор обратной связи.Схема концептуально проста, но есть несколько проблем, которые необходимо решить, чтобы получить от вашей системы максимальную производительность.

Рекомендации по использованию постоянного тока

Первая задача — выбрать операционный усилитель со спецификациями постоянного тока, который соответствует требованиям вашего приложения. В большинстве прецизионных приложений низкое входное напряжение смещения будет в верхней части списка. Входное напряжение смещения появляется на выходе усилителя, что способствует общей системной ошибке, но в усилителе на фотодиоде оно создает дополнительную ошибку.Входное напряжение смещения появляется на фотодиоде и вызывает повышенный темновой ток, что еще больше увеличивает ошибку смещения системы. Вы можете удалить начальное смещение постоянного тока с помощью программной калибровки, связи по переменному току или их комбинации, но наличие больших ошибок смещения уменьшает динамический диапазон системы. К счастью, существует широкий выбор операционных усилителей с входным напряжением смещения в сотни и даже десятки микровольт.

Следующей важной характеристикой постоянного тока является входной ток утечки операционного усилителя.Любой ток, который проходит на вход операционного усилителя или где-либо еще, кроме резистора обратной связи, приводит к ошибкам измерения. Не существует операционных усилителей с нулевым входным током смещения, но некоторые операционные усилители с входом CMOS или JFET подходят близко. Например, AD8615 имеет максимальный входной ток смещения 1 пА при комнатной температуре. Классический AD549 имеет максимальный входной ток смещения 60 фА, который гарантирован и испытан на производстве. Входной ток смещения входных усилителей на полевых транзисторах экспоненциально увеличивается с ростом температуры.Многие операционные усилители включают спецификации для 85 ° C или 125 ° C, но для тех, которые этого не делают, хорошим приближением является то, что ток будет удваиваться на каждые 10 градусов повышения температуры.

Еще одна проблема — разработать схему и компоновку, чтобы минимизировать внешние пути утечки, которые могут испортить производительность вашего операционного усилителя с низким входным током смещения. Чаще всего внешний путь утечки проходит через саму печатную плату. Например, на рисунке 3 показан один из возможных вариантов схемы фотодиодного усилителя, показанного на рисунке 1.Розовая дорожка — это шина +5 В, которая питает усилитель и переходит к другим частям платы. Если сопротивление на плате между дорожкой +5 В и дорожкой, по которой проходит ток фотодиода, составляет 5 ГОм (показано как R _L на рис. 3), ток 1 нА будет течь от дорожки +5 В к усилителю. Очевидно, это противоречит цели тщательного выбора операционного усилителя 1 пА для приложения. Один из способов минимизировать этот внешний путь утечки — увеличить сопротивление между дорожкой, по которой проходит ток фотодиода, и любыми другими дорожками.Это может быть так же просто, как добавление большого участка трассировки вокруг трассы для увеличения расстояния до других трасс. Для некоторых экстремальных приложений некоторые инженеры полностью исключат разводку печатной платы и пропустят вывод фотодиода по воздуху непосредственно во входной вывод операционного усилителя.

Рис. 3. Схема фотодиода с каналом утечки.

Другой способ предотвратить внешнюю утечку — это запустить защитную дорожку рядом с дорожкой, по которой проходит ток фотодиода, убедившись, что оба питаются одинаковым напряжением.На рисунке 4 показан защитный след вокруг сети, по которой проходит ток фотодиода. Ток утечки, вызванный дорожкой +5 В, теперь течет через R _L в защитную дорожку, а не в усилитель. В этой схеме разница напряжений между защитной дорожкой и входной дорожкой возникает только из-за входного напряжения смещения операционного усилителя, что является еще одной причиной выбора усилителя с низким входным напряжением смещения.

Рис. 4. Использование защитной дорожки для уменьшения внешней утечки.

Рекомендации по переменному току

Хотя большинство приложений с прецизионными фотодиодами, как правило, имеют низкую скорость, нам все же необходимо убедиться, что производительность системы по переменному току соответствует приложению.Двумя основными проблемами здесь являются ширина полосы сигнала (или ширина полосы замкнутого контура) и ширина полосы шума.

Ширина полосы замкнутого контура зависит от ширины полосы разомкнутого контура усилителя, резистора усиления и общей входной емкости. Входная емкость фотодиода может широко варьироваться от нескольких пикофарад для высокоскоростных фотодиодов до нескольких тысяч пикофарад для прецизионных фотодиодов очень большой площади. Однако добавление емкости на входе операционного усилителя приводит к его нестабильности, если вы не скомпенсируете его, добавив емкость через резистор обратной связи.Емкость обратной связи ограничивает полосу пропускания системы с обратной связью. Вы можете использовать уравнение 1 для расчета максимально возможной полосы пропускания с обратной связью, которая приведет к запасу по фазе в 45 градусов.

Где:

f _U — частота единичного усиления усилителя.

R _F — резистор обратной связи.

C _IN — входная емкость, которая включает в себя емкость диода и любую другую паразитную емкость на плате и т. Д.

C _M — синфазная емкость операционного усилителя.

C _D — дифференциальная емкость операционного усилителя.

Например, если у вас есть приложение с емкостью фотодиода 15 пФ и трансимпедансным усилением 1 МОм, уравнение 1 предсказывает, что вам понадобится усилитель с полосой пропускания единичного усиления около 95 МГц для достижения полосы пропускания сигнала 1 МГц. Это с запасом по фазе 45 °, который вызовет пик при ступенчатых изменениях сигнала.Возможно, вы захотите уменьшить пик, создав запас по фазе 60 ° или выше, что потребует более быстрого усилителя. Вот почему такие компоненты, как ADA4817-1, с максимальным входным током смещения 20 пА и частотой единичного усиления около 400 МГц, хорошо подходят для фотодиодных приложений с высоким коэффициентом усиления даже для умеренной полосы пропускания.

Емкость фотодиода будет преобладать над общей входной емкостью в большинстве систем, но в некоторых приложениях может потребоваться дополнительная осторожность при выборе операционного усилителя с очень низкой входной емкостью.Чтобы решить эту проблему, некоторые операционные усилители доступны со специальными выводами, предназначенными для уменьшения входной емкости. Например, на рисунке 5 показана распиновка ADA4817-1, которая направляет выход операционного усилителя на контакт, расположенный рядом с инвертирующим входом.

Рис. 5. Распиновка ADA4817-1 оптимизирована для работы с низкой паразитной емкостью.

Системный шум обычно является еще одной проблемой при проектировании с использованием фотодиодов. Основными источниками шума на выходе являются шум входного напряжения усилителя и шум Джонсона резистора обратной связи.Шум от резистора обратной связи появляется на выходе без дополнительного усиления. Если вы увеличите размер резистора для усиления тока фотодиода, увеличение шума из-за резистора усиления будет увеличиваться только на квадратный корень из увеличения номинала резистора. На практике это означает, что лучше иметь как можно большее усиление в усилителе фотодиода, чем добавлять второй каскад усилителя, где шум будет линейно увеличиваться с усилением.

Выходной шум усилителя — это шум входного напряжения, умноженный на коэффициент усиления шума усилителя.Коэффициент усиления шума определяется не только резистором обратной связи, но также конденсаторами обратной связи и входными конденсаторами, поэтому он не является постоянным по частоте. На рисунке 6 показан типичный график зависимости усиления шума усилителя от частоты с наложенным коэффициентом усиления замкнутого контура для справки. Из этого графика вы можете узнать две вещи: выходной шум увеличивается на некоторых частотах и ​​частотный диапазон, в котором пики шума могут выходить за пределы полосы среза усилителя с обратной связью.

Рисунок 6.Усиление шума фотодиодного усилителя увеличивается с более высокими частотами.

Поскольку вы не можете воспользоваться преимуществами этой полосы пропускания, используйте фильтр нижних частот, настроенный на полосу пропускания сигнала усилителя, чтобы уменьшить шум.

Использование программируемого усиления для расширения динамического диапазона

Поскольку шум Джонсона резистора обратной связи увеличивается пропорционально квадратному корню из сопротивления, имеет смысл иметь как можно большее усиление в усилителе фотодиода, а не во втором каскаде.Вы можете сделать еще один шаг вперед, добавив к усилителю фотодиода программируемое усиление, как показано в схеме на Рисунке 7.

Рис. 7. Концепция фотодиодного усилителя с программируемым усилением.

Switch S ₁ выбирает желаемый путь обратной связи, чтобы вы могли выбрать оптимальное усиление для различных сигналов. К сожалению, аналоговые переключатели имеют сопротивление, которое приведет к ошибкам усиления в нашей схеме. Это сопротивление будет меняться в зависимости от приложенного напряжения, температуры и других факторов, поэтому вы должны найти способ исключить его из схемы.На рисунке 8 показано, как можно использовать два набора переключателей для устранения ошибки из-за сопротивления в цепи обратной связи. В этой схеме у вас есть один переключатель внутри контура обратной связи, как на рисунке 7, но вместо того, чтобы смотреть на напряжение на выходе усилителя, переключатель S ₂ подключает выход схемы непосредственно к резистору усиления. Это устраняет любые ошибки усиления из-за протекания тока через переключатель S ₁ . Одним из компромиссов при использовании этой схемы является то, что выход больше не имеет очень низкий импеданс, связанный с выходами усилителя, поскольку он включает в себя сопротивление мультиплексора S ₂ .Обычно это не большая проблема, если следующий каскад имеет вход с высоким импедансом, например, с драйвером АЦП.

Рис. 8. Использование двух наборов переключателей снижает количество ошибок из-за дополнительного сопротивления внутри контура.

Использование модуляции и синхронного обнаружения для уменьшения шума

Многие прецизионные приложения включают измерение уровня света постоянного тока, поглощенного или отраженного через образец.

В то время как в некоторых приложениях допускается экранирование от внешнего света, многие другие системы, в основном в промышленных условиях, должны работать в условиях внешнего освещения.В этом случае вы можете модулировать источник света и использовать синхронное обнаружение, чтобы переместить сигнал в сторону от низкочастотного спектра, где электрические и оптические помехи максимальны. Простейшая форма модуляции — быстрое включение и выключение источника света. В зависимости от источника света вы можете модулировать его электронным способом или, как в некоторых старых приборах, вы можете использовать механический прерыватель, чтобы блокировать свет с заданной скоростью.

Например, если вы хотите измерить поглощение света веществом для определения концентрации, вы можете отключить источник света на несколько кГц.На рисунке 9 показано, как это приводит к удалению результатов измерения от большинства низкочастотных световых загрязнений, обычно присутствующих в большинстве сред, таких как изменения уровня внешней освещенности из-за времени суток, флуоресцентные лампы 50/60 Гц и т. Д. .

Рисунок 9. Прерывание входного сигнала перемещает информацию в сторону частоты прерывания и в сторону от окружающего шума.

Поскольку вы управляете частотой сигнала модуляции, вы можете использовать одни и те же часы для синхронной демодуляции принятого света.Схема на рисунке 10 представляет собой очень простой синхронный демодулятор. Напряжение на выходе усилителя фотодиода связывается по переменному току и затем пропускается через усилитель с программируемым коэффициентом усиления +1 и -1. Переключатель усиления синхронизирован, чтобы установить усиление на +1 именно тогда, когда ожидается, что свет будет включен, и на -1, когда ожидается, что свет будет выключен. В идеале на выходе должно быть постоянное напряжение, соответствующее амплитуде световых импульсов. Фильтр нижних частот отклоняет любые другие сигналы, которые не синхронизированы с часами модуляции.Частота среза фильтра нижних частот эквивалентна ширине полосового фильтра вокруг частоты модуляции. Например, если частота модуляции составляет 5 кГц и вы используете фильтр нижних частот с полосой пропускания 10 Гц, выходной сигнал схемы будет пропускать сигналы от 4,99 кГц до 5,01 кГц. Уменьшение полосы пропускания фильтра нижних частот приводит к более сильному подавлению за счет более медленного времени установления.

Рисунок 10. Схема синхронного обнаружения.

На рис. 9 также показано дополнительное предостережение при использовании измельчения.Результирующая форма волны — это не одна линия в частотной области (для которой потребуется синусоида), а скорее линия с частотой прерывания и ее нечетными гармониками. Любой шум, присутствующий на нечетных гармониках частоты прерывания, появится на выходе с минимальным затуханием. Вы можете полностью устранить это, используя модуляцию синусоидальной волны, но для этого потребуется более сложная или дорогая схема. Другое решение — выбрать необычную основную частоту, гармоники которой не совпадают с известными источниками помех.Вы также можете реализовать те же функции, что и на рисунке 10, во встроенном ПО. Вы можете дискретизировать прерывистый световой сигнал синхронно с часами модуляции и использовать методы цифровой обработки сигналов для извлечения информации об амплитуде на интересующей частоте.

Заключение

Фотодиодные усилители являются важным строительным блоком большинства прецизионных оптических измерительных систем. Выбор правильного операционного усилителя — важный первый шаг в достижении наилучшей возможной производительности системы, а использование других методов повышения производительности, таких как использование программируемого усиления и синхронного обнаружения, может помочь увеличить динамический диапазон и уменьшить шум.Если вы хотите узнать больше о схемах прецизионных фотодиодов, посетите http://instrumentation.analog.com/en/chemical-analysis/segment/im.html.

Рекомендации

CN0312 Примечание цепи. Двухканальный колориметр с трансимпедансными усилителями с программируемым усилением и синхронными детекторами.

Ороско, Луис. «Трансимпедансные усилители с программируемым усилением расширяют динамический диапазон в спектроскопических системах. Аналог Диалог, Том 47. Выпуск 5, 2013.

ADA4817 Лист данных.

Джонсон, Марк. Фотодетектирование и измерение: максимизация производительности в оптических системах. New York: McGraw-Hill, 2003.

Фотодиодные структуры »Электроника Примечания

Различные типы фотодиодной структуры и материалы фотодиода влияют на производительность и использование: PN переход, PIN, лавинные фотодиоды и фотодиоды Шоттки.

---

Photo Diode Tutorial:
Фотодиодная технология Фотодиоды PN и PIN Лавинный фотодиод Фотодиод Шоттки Фотодиодные конструкции Теория фотодиода

Другие диоды: Типы диодов

---

Структура фотодиода имеет большое значение для работы любого устройства в качестве фотодетектора.

Структура и материалы фотодиода определяют способ работы фотодиода, а такие факторы, как размер области перехода, включая внутреннюю область, увеличивают размер области или объема, в котором могут быть собраны световые фотографии.

В результате конструкция, материалы и механизм, используемые для фотодиода, имеют большое значение.

Используется множество различных структур фотодиодов, и они различаются в зависимости от типа рассматриваемого фотодиода.Структуры лавинных фотодиодов отличаются от тех, которые используются для фотодиодов PIN или PN. Структура фотодиода Шоттки снова другая. Однако все структуры фотодиодов предназначены для оптимизации сбора и преобразования света.

Структуры фотодиодов PN и PIN

Стандартный диод с PN переходом может выполнять функции фотодиода. Однако одним из ключевых требований к фотодиоду является подходящая площадка для сбора света. В стандартном PN-переходе это относительно мало, но площадь может быть увеличена с помощью PIN-диода.Поскольку внутренняя область включена в активный переход для сбора света, существует гораздо большая площадь для сбора света, что делает PIN-фотодиод более эффективным.

В процессе изготовления фотодиода толстый внутренний слой вставляется между слоями P-типа и N-типа. Этот средний внутренний слой может быть либо полностью внутренним, либо очень слегка легированным, чтобы образовать его и N-слой. В некоторых случаях он может быть выращен как эпитаксиальный слой на подложке, или, альтернативно, он может содержаться внутри самой подложки.

Структура фотодиода с PIN-кодом

Одним из основных требований к фотодиоду является обеспечение того, чтобы максимальное количество света достигло внутреннего слоя. Один из наиболее эффективных способов добиться этого — разместить электрические контакты сбоку от устройства, как показано. Это позволяет максимальному количеству света достигать активной области. Обнаружено, что поскольку подложка сильно легирована, потери света очень малы из-за того, что это не активная область.

Поскольку свет в основном поглощается на определенном расстоянии, толщина внутреннего слоя обычно должна соответствовать этой толщине.Любое увеличение толщины сверх этого приведет к снижению скорости работы, что является жизненно важным фактором во многих приложениях, и не приведет к значительному повышению эффективности.

Также возможно, чтобы свет попадал на фотодиод со стороны перехода. При такой работе фотодиода внутренний слой может быть намного меньше, чтобы увеличить скорость работы, хотя эффективность снижается.

В некоторых случаях может использоваться гетеропереход. Эта форма структуры обладает дополнительной гибкостью, позволяющей принимать свет от подложки, и имеет большую энергетическую щель, которая делает ее прозрачной для света.

Гетеропереходная структура фотодиода с PIN-кодом

В формате гетероперехода для фотодиода с PIN-кодом используется менее стандартная технология, часто с использованием таких материалов, как InGaAs и InP, изображенных на схеме. Поскольку это менее стандартный процесс, он дороже в реализации и, как следствие, обычно используется для более специализированных продуктов.

PN / PIN фотодиодные материалы

Материалы, из которых изготовлен фотодиод, определяют многие его характеристики. Одно из ключевых свойств или характеристик — длина волны света, на которую реагирует диод.Другой — уровень шума. Оба эти фактора в значительной степени зависят от материала, используемого в фотодиоде.

Различная реакция на длину волны, вызванная использованием различных материалов, происходит потому, что только фотоны с достаточной энергией, чтобы возбудить электрон через запрещенную зону материала, будут производить значительную энергию для развития тока от фотодиода.

Диапазоны длин волн для обычно используемых фотодиодных материалов
Материал	Длина волны Чувствительность (нм)
Германий	800–1700
Арсенид галлия индия	800–2600
Сульфид свинца	~ 1000–3500
Кремний	190–1100

Хотя чувствительность материала к длине волны очень важна, другим параметром, который может существенно повлиять на характеристики фотодиода, является уровень производимого шума.Из-за большей ширины запрещенной зоны кремниевые фотодиоды генерируют меньше шума, чем германиевые фотодиоды. Однако также необходимо учитывать длины волн, для которых требуется фотодиод, и германиевые фотодиоды должны использоваться для длин волн, превышающих приблизительно 1000 нм.

Структура лавинного фотодиода

Структура лавинного фотодиода относительно похожа на структуру более часто используемой структуры фотодиода PN или на структуру фотодиода PIN.Однако, поскольку лавинный фотодиод работает при высоком уровне обратного смещения, по периметру диодного перехода размещается защитное кольцо. Это предотвращает механизмы разрушения поверхности.

Структура фотодиода Avalanche PIN

Материалы фотодиода Avalanche PIN

Как и стандартные фотодиоды PN или PIN, используемые материалы имеют большое влияние на определение характеристик лавинного диода.

Обычно используемые лавинные фотодиодные материалы
Материал	Недвижимость
Германий	Может использоваться для длин волн в диапазоне 800 — 1700 нм.Имеет высокий уровень шума умножения.
Кремний	Может использоваться для длин волн в диапазоне от 190 до 1100 нм. Диоды демонстрируют сравнительно низкий уровень шума умножения по сравнению с диодами, в которых используются другие материалы, в частности германий.
Арсенид галлия индия	Может использоваться для длин волн до 1600 нм и имеет более низкий уровень шума умножения, чем германий.

Для получения оптимальных шумовых характеристик необходима большая разница в коэффициентах ионизации для электронов и дырок.Кремний обеспечивает хорошие шумовые характеристики с соотношением между различными коэффициентами, равным 50. Германий и многие соединения групп III-V имеют только отношения менее 2. Хотя шумовые характеристики этих материалов намного ниже, их необходимо использовать дольше. длины волн, для которых требуется меньшая предложенная энергетическая щель.

Другие электронные компоненты:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор FET Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .

фотодиод

Фотодиод — это полупроводниковый диод, который функционирует как фотодетектор. Фотодиоды поставляются либо с окном, либо с оптоволоконным соединением, чтобы пропускать свет к чувствительной части устройства. Их также можно использовать без окна для обнаружения вакуумного УФ или рентгеновского излучения. Фототранзистор по сути является не чем иным, как биполярным транзистором, заключенным в прозрачный корпус, так что свет может достигать перехода база-коллектор .Фототранзистор работает как фотодиод, но с гораздо более высокой чувствительностью к свету, потому что электроны, которые генерируются фотонами в переходе база-коллектор, вводятся в базу, а затем этот ток усиливается работой транзистора. Однако фототранзистор имеет меньшее время отклика, чем фотодиод. Рекомендуемые дополнительные знания Краткое руководство Большинство фотодиодов будут выглядеть как на картинке справа, то есть как светоизлучающие диоды.У них будет два вывода или провода, идущие снизу. Более короткий конец из двух является катодом, а более длинный конец — анодом. См. Ниже схематический чертеж анодной и катодной сторон. Ток будет проходить от анода к катоду, в основном по стрелке. Принцип действия Фотодиод — это структура p-n-перехода или p-i-n. Когда фотон достаточной энергии попадает в диод, он возбуждает электрон, тем самым создавая подвижный электрон и положительно заряженную электронную дырку.Если поглощение происходит в обедненной области перехода или на расстоянии одной диффузионной длины от нее, эти носители уносятся из перехода встроенным полем обедненной области, создавая фототок. Фотодиоды могут использоваться либо с нулевым смещением ( фотоэлектрический режим, ), либо с обратным смещением (, фотопроводящий режим ). При нулевом смещении свет, падающий на диод, вызывает ток через устройство, приводя к прямому смещению, которое, в свою очередь, индуцирует «темновой ток» в направлении, противоположном фототоку.Это называется фотоэлектрическим эффектом, и он является основой солнечных элементов. Фактически, солнечный элемент — это просто большое количество больших фотодиодов. Обратное смещение индуцирует только небольшой ток (известный как насыщение или обратный ток) вдоль своего направления. Но более важным эффектом обратного смещения является расширение обедненного слоя (следовательно, расширение реакционного объема) и усиление фототока. Схемы, основанные на этом эффекте, более чувствительны к свету, чем схемы, основанные на фотоэлектрическом эффекте, а также имеют более низкую емкость, что улучшает скорость их временного отклика.С другой стороны, фотоэлектрический режим имеет тенденцию демонстрировать меньше электронных шумов. Лавинные фотодиоды имеют аналогичную конструкцию, но работают с гораздо большим обратным смещением. Это позволяет умножить каждую фотогенерацию несущей за счет лавинного пробоя, что приводит к внутреннему усилению внутри фотодиода, что увеличивает эффективную чувствительность устройства. Материалы Материал, используемый для изготовления фотодиода, имеет решающее значение для определения его свойств, потому что только фотоны с достаточной энергией для возбуждения электронов через запрещенную зону материала будут производить значительные фототоки. Материалы, обычно используемые для изготовления фотодиодов, включают: Из-за большей ширины запрещенной зоны кремниевые фотодиоды генерируют меньше шума, чем германиевые фотодиоды, но германиевые фотодиоды должны использоваться для длин волн, превышающих приблизительно 1 мкм. Поскольку транзисторы и ИС сделаны из полупроводников и содержат P-N-переходы, почти каждый активный компонент потенциально является фотодиодом. Многие компоненты, особенно чувствительные к небольшим токам, не будут работать правильно при освещении из-за индуцированных фототоков.Для большинства компонентов это нежелательно, поэтому они помещены в непрозрачный корпус. Поскольку корпуса не полностью непрозрачны для рентгеновских лучей или другого высокоэнергетического излучения, они все же могут вызывать сбои в работе многих ИС из-за наведенных фототоков. Характеристики Критические рабочие параметры фотодиода включают: чувствительность Отношение генерируемого фототока к мощности падающего света, обычно выражаемое в А / Вт при использовании в фотопроводящем режиме.Чувствительность также может быть выражена как квантовая эффективность , или отношение количества фотогенерированных носителей к падающим фотонам и, следовательно, безразмерная величина. Темновой ток Ток через фотодиод в отсутствие света, когда он работает в фотопроводящем режиме. Темновой ток включает фототок, создаваемый фоновым излучением, и ток насыщения полупроводникового перехода. Темновой ток необходимо учитывать при калибровке, если фотодиод используется для точного измерения оптической мощности, а также он является источником шума, когда фотодиод используется в системе оптической связи. мощность, эквивалентная шуму (NEP) Минимальная входная оптическая мощность для генерации фототока, равная среднеквадратичному шумовому току в полосе пропускания 1 герц. Соответствующая характеристика обнаруживающая способность (D) является инверсией NEP, 1 / NEP; и специфическая обнаруживающая способность () — это обнаруживающая способность, нормированная на площадь (A) фотодетектора,. NEP — это примерно минимальная обнаруживаемая входная мощность фотодиода. Когда фотодиод используется в системе оптической связи, эти параметры вносят вклад в чувствительность оптического приемника, которая является минимальной входной мощностью, необходимой приемнику для достижения заданного коэффициента ошибок по битам . Приложения Фотодиоды P-N используются в приложениях, аналогичных другим фотодетекторам, таким как фотопроводники, устройства с зарядовой связью и фотоэлектронные умножители. Фотодиоды используются в устройствах бытовой электроники, таких как проигрыватели компакт-дисков, детекторы дыма и приемники для дистанционного управления в видеомагнитофонах и телевизорах. В других потребительских товарах, таких как фотометры, радиочасы (те, которые затемняют дисплей в темноте) и уличные фонари, часто используются фотопроводники, а не фотодиоды, хотя в принципе можно использовать и то, и другое. Фотодиоды часто используются для точного измерения силы света в науке и промышленности. Как правило, они имеют лучший, более линейный отклик, чем фотопроводники. Они также широко используются в различных медицинских приложениях, таких как детекторы для компьютерной томографии (в сочетании со сцинтилляторами) или инструменты для анализа образцов (иммуноанализ). Они также используются в мониторах газов крови. PIN-диоды намного быстрее и более чувствительны, чем обычные диоды с p-n переходом, и поэтому часто используются для оптической связи и для регулирования освещения. Фотодиоды P-N не используются для измерения очень низкой интенсивности света. Вместо этого, если требуется высокая чувствительность, используются лавинные фотодиоды, усиленные устройства с зарядовой связью или фотоэлектронные умножители для таких приложений, как астрономия, спектроскопия, оборудование ночного видения и лазерный дальномер. Сравнение с фотоумножителями Преимущества по сравнению с фотоумножителями: Отличная линейность выходного тока в зависимости от падающего света Спектральный отклик от 190 нм до 1100 нм (кремний), более длинные волны с другими полупроводниковыми материалами Низкий уровень шума Прочность к механическим воздействиям Низкая стоимость Компактный и легкий Длительный срок службы Высокая квантовая эффективность, обычно 80% Высокое напряжение не требуется Недостатки по сравнению с фотоумножителями: Малая территория Без внутреннего усиления (кроме лавинных фотодиодов, но их усиление обычно составляет 10² – 10³ по сравнению с 10 8 для фотоумножителя) Намного ниже общая чувствительность Подсчет фотонов возможен только с помощью специально разработанных, обычно охлаждаемых фотодиодов, со специальными электронными схемами Время отклика для многих дизайнов меньше P-N vs.Фотодиоды P-I-N Из-за внутреннего слоя фотодиод PIN должен иметь обратное смещение (Vr). Vr увеличивает область обеднения, обеспечивая больший объем для образования электронно-дырочных пар, и уменьшает емкость, тем самым увеличивая ширину полосы. Vr также вносит ток шума, который снижает отношение сигнал / шум. Поэтому обратное смещение рекомендуется для приложений с более высокой пропускной способностью и / или приложений, где требуется широкий динамический диапазон. PN-фотодиод больше подходит для приложений с низким освещением, поскольку он обеспечивает беспристрастную работу. Матрица фотодиодов Сотни или тысячи (до 2048) фотодиодов с типичной чувствительной областью 0,025 мм x 1 мм, каждый из которых расположен в виде одномерного массива, который может использоваться в качестве датчика положения. Одним из преимуществ матриц фотодиодов (КПК) является то, что они позволяют выполнять высокоскоростное параллельное считывание, поскольку управляющая электроника может быть не встроена, как традиционные КМОП- или ПЗС-сенсоры. Похожие записи 21.11.2024 0 Особенности питания кормящей мамы: что можно и нельзя есть при грудном вскармливании 19.11.2024 0 Новорожденный какает слизью: причины появления слизи в кале грудничка 19.11.2024 0 Гемангиома у новорожденных: причины, виды, лечение и профилактика Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт