Fotodioda je poluvodička dioda čija struja ovisi o osvjetljenju. Obično se ova struja odnosi na obrnutu struju fotodiode, jer je njena ovisnost o osvjetljenju za redove veličine jača od struje naprijed. U budućnosti ćemo posebno govoriti o obrnutoj struji.

Općenito, fotodioda je pn spoj otvoren za svjetlosno zračenje. Pod uticajem svetlosti u prostoru p-n spoj Generiraju se nosioci naboja (elektroni i rupe), koji prolaze kroz njega i uzrokuju napon na terminalima fotodiode ili struju u zatvorenom kolu.

Fotodioda je, u zavisnosti od svog materijala, dizajnirana da registruje svetlosni tok u infracrvenom, optičkom i ultraljubičastom opsegu talasnih dužina. Fotodiode se izrađuju od silicija, germanijuma, galijum arsenida, indijum galij arsenida i drugih materijala.

Fotodiode se široko koriste u sistemima upravljanja, mjeriteljstvu, robotici i drugim poljima. Koriste se i kao dio drugih komponenti, na primjer, optokapleri, opto-releji. U odnosu na mikrokontrolere, fotodiode se koriste kao razni senzori - granični senzori, senzori svjetlosti, senzori udaljenosti, senzori pulsa itd.

Oznake na dijagramima

On električni dijagrami Fotodioda je označena kao dioda, s dvije strelice usmjerene prema njoj. Strelice simboliziraju upad zračenja na fotodiodu. Nemojte ovo brkati sa LED oznakom, koja ima strelice koje su usmjerene od nje.

Slovna oznaka fotodiode može biti VD ili BL (fotoćelija).

Načini rada fotodiode

Fotodioda radi u dva načina rada: fotodiodni i fotonaponski (fotonaponski, generator).

Režim fotodiode koristi napajanje koje napaja fotodiodu obrnuti smjer. U ovom slučaju, reverzna struja teče kroz fotodiodu, proporcionalna svjetlosnom toku koji pada na nju. U opsegu radnog napona (to jest, prije nego što dođe do sloma), ova struja je praktički nezavisna od primijenjenog obrnutog napona.

U fotonaponskom načinu rada fotodioda radi bez vanjskog izvora napajanja. U ovom načinu rada može raditi kao senzor ili kao baterija ( solarna baterija), budući da se pod utjecajem svjetlosti na priključcima fotodiode pojavljuje napon, ovisno o fluksu zračenja i opterećenju.

Strujno-naponska karakteristika

Da biste bolje razumjeli načine rada fotodiode, morate uzeti u obzir njenu strujno-naponsku karakteristiku.

Graf se sastoji od 4 oblasti, takozvanih kvadranata. Režim fotodiode odgovara radu u 3. kvadrantu.

U nedostatku zračenja, graf predstavlja obrnutu granu strujno-naponske karakteristike konvencionalne poluvodičke diode. Postoji mala reverzna struja, koja se naziva termička (tamna) struja obrnuto pristrasnog pn spoja.

U prisustvu svjetlosnog toka, otpor fotodiode se smanjuje, a reverzna struja fotodiode se povećava. Što više svjetlosti pada, to više obrnute struje teče kroz fotodiodu. Ovisnost obrnute struje fotodiode o svjetlosnom toku u ovom režimu je linearna.

Grafikon pokazuje da reverzna struja fotodiode slabo zavisi od obrnutog napona. Pogledajte nagib grafikona od nultog napona do probojnog napona, mali je.

Fotonaponski režim odgovara radu fotodiode u 4. kvadrantu. I ovdje se mogu razlikovati dva ograničavajuća slučaja:

Prazan hod (xx),
- kratki spoj (kratki spoj).

Režim skoro praznog hoda koristi se za dobijanje energije iz fotodiode. Odnosno, za korištenje fotodiode kao solarne baterije. Naravno, jedna fotodioda će biti od male koristi, a njena efikasnost je niska. Ali ako povežete mnogo elemenata, onda takva baterija može napajati neki uređaj male potrošnje.

U režimu kratkog spoja, napon na fotodiodi je blizu nule, a reverzna struja je direktno proporcionalna svetlosnom toku. Ovaj način rada se koristi za izradu foto senzora.

Koje su prednosti i mane fotodiodnog i fotonaponskog načina rada? Režim fotodiode pruža brže performanse fotodiode, ali u ovom režimu uvijek postoji tamna struja. U fotonaponskom načinu rada nema tamne struje, ali će performanse senzora biti sporije.

2. Objedinjeni IP signali

3. Dodjela obrnutog IP-a

1. Svojstva fotodioda, sklopna kola, primjena.

fotodioda (PD) - prijemnik optičkog zračenja koji pretvara fluks koji pada na njegovu fotoosjetljivu regiju u električni naboj zbog procesa u p-n spoju.

Na sl. Slika 9 prikazuje blok dijagram fotodiode sa eksternim ciljnim elementima.

1-poluprovodnički kristal;

2-pin;

3-zaključci;

F-fluks elektromagnetnog zračenja;

Napon e-izvora DC;

Otpor Rn opterećenja.

Rice. 9. Blok dijagram fotodioda

Princip rada

At rasvjeta p-n tranzicija monohromatskim zračenjem sa energijom fotona > ( je pojas), dolazi do intrinzične apsorpcije kvanta zračenja i generišu se neravnotežni fotoelektroni i fotorupe. Pod uticajem električno polje tranziciji, ovi fotonosači se kreću: elektroni - u n-područje, a rupe - u p-područje, tj. struja drifta neravnotežnih nosilaca teče kroz spoj. Struja fotodiode je određena strujom manjinskog nosioca.

Jednadžba koja određuje svjetlosne i strujno-naponske karakteristike fotonaponskih ćelija može se predstaviti na sljedeći način:

, (5)

, (6)

gdje je tamna struja curenja kroz p-ntranzicija;

- struja zasićenja, tj. apsolutnu vrijednost vrijednost kojoj teži tamna struja pri ;

A– koeficijent koji zavisi od materijala fotoćelije i ima vrednost od 1 do 4 (za germanijumske fotodiode je jednak 1);

- temperaturaK;

, k(elementarna naknada);

(Boltzmannova konstanta);

Familija strujno-naponskih karakteristika osvijetljene fotodiode prikazana je na slici 10.

Rice. 10. Strujno-naponske karakteristike fotodiode

Familija strujno-naponskih karakteristika fotodiode nalazi se u kvadrantima I, III, IV. Kvadrant I je neradna oblast za fotodiodu u ovom režimu, fotokontrola struje kroz diodu je nemoguća.

Kvadrant IV strujno-naponske karakteristike fotodiode odgovara fotonaponskom načinu rada fotodiode. Ako je meta otvorena, tada se povećava koncentracija elektrona u n-području i rupa u p-području, djelomično se kompenzira polje prostornog naboja atoma nečistoće u prijelazu i potencijalna barijera se smanjuje. Ovo smanjenje se događa pomoću količine fotoEMF-a koji se naziva napon otvorenog kola fotodiode Uxx. Vrijednost Uxx za PD je 0,5-0,55V za GaAs - galijum arsenid Uxx=0,8÷0,9V i ne može premašiti kontaktnu potencijalnu razliku prijelaza, jer je potpuno kompenzirana električno polje a razdvajanje fotonosaca u tranziciji prestaje.

Ako su p- i n-područja povezana vanjskim vodičem (režim kratkog spoja), tada će u vodiču teći Uxx=0 i struja kratkog spoja formirana od neravnotežnih fotonosača.

Međuvrijednosti se određuju linijama opterećenja, koje pri različitim vrijednostima napuštaju ishodište pod različitim uglovima. Za zadatu strujnu vrijednost, prema PD strujno-naponskoj karakteristici, moguće je odabrati optimalni način rada fotodiode, u kojem će se najveća električna snaga prenijeti na opterećenje.

Glavne svjetlosne karakteristike fotodiode u fotonaponskom načinu rada su ovisnost struje kratkog spoja od svjetlosnog toka i napon otvorenog kola od svjetlosnog toka Uhh = , njihove tipične ovisnosti su prikazane na slici 11.

Kao što se može vidjeti na slici 11, zavisnost linearno u širokom rasponu F i samo pri značajnim svjetlosnim tokovima (F>2000...3000lm) počinje da se javlja nelinearnost.

Zavisnost Uxx = je također linearna, ali sa svjetlosnim tokovima koji ne prelaze 200÷300 lm, ima značajnu nelinearnost na F više od 4000 lm. Nelinearnost kako F raste, to se objašnjava povećanjem pada napona na volumenskom otporu baze fotodiode, a nelinearnost Uhh = se objašnjava smanjenjem potencijalne barijere s povećanjem F.

Karakteristike PD-a jako zavise od temperature. Za silicijumske PD, Uxx opada za 2,5 mV sa porastom temperature za 1˚S, dok Icr raste u relativnim jedinicama za 3∙10 -3 1/˚S.

Rice. 11. Svjetlosne karakteristike fotodiode

Kvadrant III je fotodiodno područje rada PD, u kojem se obrnuti napon primjenjuje na p-n spoj (slika 9)

Strujno-naponska karakteristika otpornika opterećenja je prava linija, čija je jednadžba:

,

gdje je obrnuti napon na PD,

– fotostruja.

Fotodioda i otpornik opterećenja su povezani serijski, tj. kroz njih teče ista struja . Ova struja se može odrediti presječnom točkom I-V karakteristike fotodiode i otporom opterećenja.

Dakle, u režimu fotodiode, za dati fluks zračenja F, fotodioda je izvor struje u odnosu na eksterno kolo. Štoviše, vrijednost struje praktički ne ovisi o parametrima vanjskog kola (,).

Princip rada

Na slici 2 prikazan je dijagram koji odražava princip rada detektora sa fotodiodom sa obrnutom pristrasnošću. Veličina generirane fotostruje ovisi o svjetlosnom toku i talasnoj dužini zračenja. Prilikom povezivanja otpornika opterećenja, ova vrijednost se može promatrati pomoću osciloskopa. Funkcija RC filtera je da potisne visokofrekventnu buku iz izvora napajanja.

Fig.3 Detektorsko kolo sa pojačalom

Kada se koristi fotodetektorsko kolo sa pojačalom, korisnik može odabrati način rada fotodiode (fotonaponski ili fotodiodni). Svaki način rada ima svoje prednosti:

Fotonaponski režim: U fotonaponskom režimu, na diodu se ne primenjuje napon i A ulaz operativnog pojačala je potencijal. jednak potencijalu u tački B. Kada se radi u ovom režimu, tamna struja je zanemarljiva.

Režim fotodiode: U fotodiodnom modu, na pn spoj se primjenjuje obrnuti napon, koji smanjuje kapacitet spoja i povećava propusnost. Pojačanje zavisi od povratnog otpornika (R f). Širina pojasa detektora određena je formulom:

Gdje je GBP proizvod pojačanja i propusnog opsega op-amp, C D je zbir kapaciteta spoja i pojačala.

Frekvencija modulacije

Spektralna gustina šuma većine detektora, uključujući PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) i InAsSb, ima odnos 1/f (šum se smanjuje kako frekvencija raste), što ima značajan uticaj na vremensku konstantu u niskofrekventnom području.

Dakle, frekvencija modulacije (brzina promjene intenziteta) zračenja utiče na osjetljivost uređaja. Optimalne vrijednosti karakteristika fotodetektora postižu se na frekvenciji:

Trajanje baterije

Kada koristite fotodetektor na baterije, važno je razumjeti vijek trajanja baterije i kako to utiče na performanse detektora. Izlazna struja detektora je direktno proporcionalna fluksu upadnog zračenja. Većina korisnika pretvara ovu struju u napon koristeći usklađeno opterećenje. Količina otpora je približno jednaka pojačanju kruga. Za detektore velike brzine kao što je , potrebno je koristiti opterećenje od 50 oma kako bi odgovaralo impedanciji standardnih koaksijalnih kablova. Ovo će smanjiti povratne refleksije i poboljšati kvalitet izlaznog signala.

Vijek trajanja baterije je direktno povezan sa strujom u detektoru. Većina proizvođača baterija izražava vijek trajanja baterije u mAh (miliamper-sat). Na primjer, ako je baterija procijenjena na 190 mAh, radit će 190 sati uz potrošnju struje od 1,0 mA.

Neka izvor čije zračenje pada na detektor radi na talasnoj dužini od 780 nm sa prosečnom snagom od 1 mW. Osetljivost detektora na datoj talasnoj dužini je 0,5 A/W. Fotostruja se može izračunati pomoću formule:

Dakle, vijek trajanja baterije je:

ili 16 dana neprekidnog rada. Smanjenjem prosječne snage upadnog zračenja na 10 μW, vijek trajanja iste baterije će se povećati na 4 godine neprekidnog rada. Kada se koristi preporučeni završetak od 50 oma, fotostruja (0,5 mA) se pretvara u napon: Ako se upadna snaga smanji na 40 μW, izlazni napon postaje 1 mW. Za neke mjerne uređaje ova vrijednost može biti preniska, tako da se mora napraviti kompromis između vijeka trajanja baterije i točnosti mjerenja.

Prilikom korištenja detektora na baterije potrebno je koristiti zračenje niskog intenziteta, uzimajući u obzir minimalno potreban nivo napona. Također je važno zapamtiti da baterija neće odmah prestati proizvoditi struju kada se približi kraju svog vijeka trajanja. Prvo će pasti napon baterije i električni potencijal, primijenjen na fotodiodu će se smanjiti. To će zauzvrat dovesti do povećanja vremena odziva detektora i smanjenja propusnosti.

Stoga je važno osigurati da baterija osigurava dovoljan napon za optimalne performanse detektora.

Za aplikacije u kojima su detektori kontinuirano zračeni izvorom dovoljno velike snage, ili je stalna zamjena baterija neprihvatljiva, kompanija Thorlabs Nudi adapter i napajanje. Nedostatak ove opcije je šum koji će se dodati izlaznom signalu i može povećati grešku mjerenja.

Detektori olovnog sulfida (PbS) i olovnog selenida (PbSe) se široko koriste za detekciju zračenja u rasponu od 1000 do 4800 nm. Dok fotodioda stvara struju kada je izložena svjetlu, fotootpornik mijenja vrijednost otpora kada je izložen svjetlu. Iako se PbS i PbSe detektori mogu koristiti sa sobnoj temperaturi, temperaturne fluktuacije će uticati na otpornost na tamu, osjetljivost i performanse uređaja.

Princip rada

Kada se svjetlost apsorbira, u fotokonduktivnom materijalu pojavljuju se višak nosilaca naboja, što dovodi do povećanja vodljivosti i smanjenja otpora. Promjena otpora će promijeniti izmjereni napon. Na sl. Prikazan je dijagram koji odražava princip rada detektora na bazi fotokonduktivnih materijala. Treba napomenuti da se predstavljeni krug ne preporučuje za praktičnu upotrebu zbog prisustva niskofrekventnog šuma.

Mehanizam detekcije se zasniva na provodljivosti tankog filma fotosenzitivnog elementa. Signal na izlazu detektora u odsustvu upadnog zračenja određen je jednadžbom:

Promjena napona na izlazu ΔV OUT nastaje zbog promjene otpora ΔR Tamno kada svjetlost udari u aktivno područje senzora:

Frekvencijski odziv

Za detektore, zavisnost osetljivosti od frekvencije svetlosne modulacije ima oblik:

Gdje je f c frekvencija modulacije, R 0 je osjetljivost na frekvenciji od 0 Hz, τ r je vrijeme porasta.

Uticaj temperature

Fotoosjetljivi element PbS i PbSe detektora je tanak film na staklenoj podlozi. Oblik i aktivna oblast fotokonduktivnog elementa se menjaju u zavisnosti od uslova rada, čime se menjaju i druge karakteristike. Posebno, osjetljivost detektora će varirati ovisno o radnoj temperaturi.

Hlađenje detektora će pomjeriti opseg spektralne osjetljivosti na duže valne dužine. Za optimalne rezultate, preporučuje se da se predstavljeni detektori koriste u kontrolisanim uslovima okoline.

Šema strujnog kruga detektora na bazi fotokonduktivnog materijala sa pojačalom

Zbog karakteristika buke, poželjno je uključiti fotootpornik u krug AC. Kada je fotootpornik spojen na jednosmjerno kolo, buka uzrokovana primijenjenim naponom će se povećavati s povećanjem napona, čime se ograničava osjetljivost detektora. Za održavanje stabilnosti karakteristika i postizanje visokih vrijednosti pojačanja signala, potrebno je koristiti pretpojačalo.

Prema dijagramu (slika iznad), operacioni pojačavač (op-amp) nastoji da izjednači potencijale u tačkama A i B koristeći povratnu petlju. Razlika napona na ulazu op-pojačala se pojačava i prenosi na izlaz. Treba napomenuti da visokopropusni filter na ulazu pojačala ne propušta DC signal. Osim toga, otpor opterećenja mora biti jednak otporu mraka detektora kako bi se osigurao maksimalan signal. Napon napajanja (+V) mora biti takav da je odnos signal-šum optimalan i da se približava jedinici. Neki zadaci zahtijevaju više visok nivo napon, što će povećati nivo buke. Izlazni napon se određuje po formuli:

Odnos signala i šuma

Pošto je nivo šuma detektora obrnuto proporcionalan frekvenciji modulacije signala, šum će se povećati na niskim frekvencijama. Signal na izlazu detektora raste linearno sa povećanjem prednapona, ali karakteristike šuma malo zavise od prednapona na niskom nivou. Kada se dostigne određeni nivo prednapona, šum detektora će početi da raste linearno sa povećanjem napona. Pri visokim naponima, šum će početi eksponencijalno da raste, smanjujući omjer signala i šuma. Da bi se osigurali optimalni nivoi signala/šuma, potrebno je podesiti frekvenciju modulacije signala i napon pomaka.

Dark Resistance

Otpor tame je otpor detektora u odsustvu svjetlosti. Treba napomenuti da će se otpornost na tamu povećati ili smanjiti s promjenama temperature. Hlađenje detektora će smanjiti vrijednost otpornosti na tamu.

Sposobnost detekcije (D) i sposobnost specifične detekcije (D*)

Detektivnost (D) je još jedna veličina koja se koristi za procjenu efikasnosti fotodetektora. Sposobnost detekcije karakteriše osetljivost i obrnuto je proporcionalna snazi ​​ekvivalentne buke (NEP):

Što je veća vrijednost detekcije, to je veća osjetljivost, odnosno detektor je u stanju registrovati slabe signale. Sposobnost detekcije zavisi od talasne dužine upadnih fotona.

NEP detektora, a samim tim i njegova sposobnost detekcije, zavisi od aktivnog regiona, tako da poređenje svojstava dva detektora nije lak zadatak. Da biste se riješili ove ovisnosti, koristite specifičnu sposobnost detekcije (D*), koja ne ovisi o području detektora i koristi se za procjenu efikasnosti fotodetektora. U jednadžbi ispod, A je površina fotoosjetljivog područja.

Dvodimenzionalni senzori osjetljivi na položaj

Pregled

Dvodimenzionalni senzori osjetljivi na položaj mogu mjeriti položaj, udaljenost putovanja ili uglove upada zraka, a mogu se koristiti i kao povratna informacija u sistemima za poravnanje, na primjer, za kontrolu položaja ogledala, fokusiranje mikroskopa itd. Detektor određuje položaj svetlosne tačke na osnovu proporcionalne distribucije fotostruje koja se generiše u tački upada svetlosnog snopa. Postoje dvije vrste dvodimenzionalnih senzora osjetljivih na položaj: dvosmjerne elektrode i četverosmjerne elektrode.

Senzori sa dvostranim elektrodama imaju otporne slojeve nanesene na obje strane podloge. Senzor ima četiri izlaza. Fotostruja se distribuira na dvije ulazne i dvije izlazne komponente. Distribucija izlaznih struja određuje položaj Y koordinate, a raspodjela ulaznih struja određuje X koordinatu položaja snopa.

Senzori sa četverostranim rasporedom elektroda imaju jedan osjetljivi otporni sloj koji se nalazi na jednoj strani podloge. Takvi senzori su mnogo jeftiniji od senzora sa dvostranim elektrodama. Međutim, linearnost odziva ovih senzora opada kako se snop udaljava od centra. To je zbog položaja anoda duž perimetra senzora, nelinearnost je posebno uočljiva u uglovima senzora, gdje se anode približavaju jedna drugoj. Kompanija Thorlabs koristi jednu od varijanti senzora sa četverostranim rasporedom elektroda - senzor u obliku "jastučića". Model takvog senzora prikazan je na gornjoj slici. Anode se pomeraju do uglova senzora, kovrčavog oblika elektrode osiguravaju kompenzaciju za izobličenje signala u blizini perimetra. Ovaj model ima linearnost na nivou senzora sa dvostranim elektrodama, ali uz znatno nižu cijenu.

Princip proračuna položaja grede

PDP90A detektor kompanije Thorlabs opremljen krugom za izračunavanje Δx, Δy i sume signala prema formulama:

Prema ovim formulama, udaljenost u jedinicama dužine može se izračunati pomoću jednačina:

gdje su x i y udaljenosti od centra do ruba senzora, Lx i Ly su karakteristične dimenzije otpornog sloja. Za PDP90A detektor Lx = Ly = 10 mm. Treba napomenuti da dimenzije otpornog sloja ne odgovaraju dimenzijama aktivnog područja senzora. Aktivna regija je na slici označena sivom bojom.

Greška pozicije

Za razliku od kvadrantnih senzora koji zahtijevaju preklapanje sva četiri aktivna područja, predstavljeni senzori omogućavaju dobivanje informacija o lokaciji snopa u bilo kojoj tački detektora, bez obzira na oblik, veličinu i raspodjelu snage u snopu. Senzor određuje položaj centra svjetlosne tačke sve dok je tačka na fotoosjetljivom području. Ako dio svjetlosne mrlje napusti fotoosjetljivu površinu, to će uzrokovati pomicanje centra i mjerenja će postati nepouzdana.

Nivoi ambijentalnog osvjetljenja također mogu dovesti do grešaka u mjerenju položaja zraka. Da biste smanjili greške, bolje je izvršiti mjerenja u mraku. Upotreba optike za fokusiranje i otvora blende će također smanjiti greške povezane s ambijentalnim svjetlom.

Dozvola

Rezolucija detektora osjetljivog na poziciju je minimalni pomak svjetlosne tačke na površini senzora koji se može detektirati. Rezolucija (ΔR) zavisi i od veličine otpornog sloja (L x ili L y) i od odnosa signal-šum (S/N). Odnos signal-šum ovog sistema može se definisati kao odnos zbira izlaznih signala (V o) i napona šuma (e n). Izlazni šum detektora PDP90A je<2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).

Gdje

ΔR – rezolucija,

Lx je karakteristična veličina otpornog sloja,

e n – napon šuma na izlazu detektora,

Vo – zbir izlaznih napona.

Za PDP90A detektor:

Za postizanje optimalnih rezultata, vrijednost V o mora se povećati na 4 V, što će osigurati rezoluciju detektora od 0,750 µm. Da biste to uradili, potrebno je pratiti ukupni izlazni signal (SUM) senzora i istovremeno podešavati intenzitet upadnog zračenja sve dok izlazni napon ne dostigne 4 V. Napon veći od 4 V će zasititi sistem i samim tim dovesti do grešaka u merenju. Isporučeni softver vam omogućava da lako pratite nivo napona. Ako je ukupni napon iznad nivoa zasićenja, klizač koji pokazuje nivo ukupnog napona će postati crven. U tom slučaju je potrebno smanjiti intenzitet zračenja na nivo na kojem boja klizača postaje zelena. Ova vrijednost će odgovarati izlaznom naponu od 4 V.

Detektor osetljiv na položaj zasnovan na kvadrantnim fotodiodama

Senzor takvog detektora sastoji se od četiri identične kvadrantne fotodiode, koje su razdvojene razmakom od ~0,1 mm i zajedno čine kružnu zonu detekcije za određivanje položaja upadnog zraka (u 2D formatu). Kada svetlost udari u senzor, fotostruja se generiše u svakoj oblasti (na sl. Q1, Q2, Q3 i Q4). Na osnovu ovih signala, signali razlike se izračunavaju pomoću ADC-a. Zbir sva četiri signala se također izračunava za normalizaciju. Normalizirane koordinate (X, Y) položaja grede određuju se pomoću jednačina:

Ako simetrični snop padne u centar senzora, tada će sistem na izlazu registrovati 4 identične fotostruje, tj. signali razlike će biti jednaki 0, a normalizovane koordinate (X, Y) = (0, 0). Fotostruje će se promijeniti ako se snop pomjeri u odnosu na centar. U ovom slučaju struje razlike neće biti 0.

Kvadrantni fotodiodni detektori su vrlo precizni i idealni su za sisteme automatskog poravnanja. Međutim, potrebno je pratiti oblik i raspodjelu intenziteta u snopu, jer ovaj tip detektora je osjetljiv na ove parametre. Za grede kod kojih raspodjela snage nije Gausova, centar će biti određen na osnovu raspodjele snage (ne geometrijskog centra snopa). Za takve zrake, poželjno je koristiti detektore opisane u prethodnom paragrafu.

Lavinske fotodiode u Geigerovom načinu rada imaju sposobnost detekcije pojedinačnih fotona. Osetljivost na nivou jednog fotona može se postići povećanjem prednapona iznad napona proboja (tačka A na slici 4). Lavina fotodioda će ostati u metastabilnom stanju sve dok se foton ne apsorbira, uzrokujući stvaranje lavine (tačka B). Ova lavina je prigušena aktivnim prigušnim krugom u fotodiodi (tačka C), koji smanjuje prednapon na vrijednosti ispod napona proboja (V BR).

Slika 4: Strujna naponska karakteristika lavinske fotodiode u Geigerovom modu

Visoki prednapon se tada može vratiti. Tokom ovog procesa, koji je poznat kao mrtvo vrijeme diode, lavinska fotodioda je neosjetljiva na bilo kakve upadne fotone. Kada je dioda u metastabilnom stanju, moguće je spontano stvaranje lavina. Ako se spontano formiranje lavina odvija haotično, tada se snimljeni signal naziva tamnim brojanjem. Ako spontano formiranje lavina korelira u vremenu s impulsima upadnih fotona, tada se takav signal naziva naknadni impuls. Da biste izbjegli snimanje naknadnih impulsa tokom mjerenja, možete programski (pomoću softvera) unijeti dodatno mrtvo vrijeme, što će uzrokovati da brojač ignoriše sve impulse koji su se desili tokom ovog vremena.

Osnovne karakteristike i koncepti

Geigerov način rada

U ovom režimu, dioda radi na prednaponu većem od napona proboja. Stoga, jedan par elektron-rupa (generiran apsorpcijom fotona ili termičkim fluktuacijama) može pokrenuti lavinski proces.

Tamna stopa brojanja

To je prosjek zabilježenog brojanja u odsustvu upadnog zračenja, koji definira minimalnu brzinu brojanja pri kojoj je snimljeni signal prvenstveno zbog stvarnih fotona. Detekcija lažnih fotona je uglavnom zbog termičkih fluktuacija i stoga se može izbjeći korištenjem hlađenih detektora

Aktivno zatamnjenje nastaje kada diskriminator detektuje pojavu lavinske struje i naglo smanji prednapon na vrijednosti ​​ispod napona proboja. U pripremi za snimanje sljedećeg fotona, prednapon se ponovo povećava na vrijednosti iznad napona proboja.

Mrtvo vreme je vremenski interval koji detektoru treba da vrati stanje u kojem može snimati događaje bez izobličenja. Za to vreme, on ne vidi incidentne fotone. Dio mrtvog vremena povezanog s aktivnim krugom gašenja može se definirati kao omjer prenesenih i upadnih fotona.

Afterpulses

Tokom procesa lavine, neki naboji mogu biti zarobljeni zamkama. Kada se ispuste, ova naelektrisanja mogu dovesti do stvaranja lavine. Ovi "lažni događaji" se nazivaju naknadni impulsi. Životni vijek takvih zarobljenih naboja je reda veličine nekoliko desetinki mikrosekunde. Shodno tome, pojava naknadnih impulsa je vjerovatnija neposredno nakon impulsa od pravog fotona.

Osnovni modeli fotodetektora iz Thorlabsa

U tabeli su prikazani modeli fotodetektora kompanije Thorlabs. Modeli smješteni u istom redu opremljeni su istim fotoosjetljivim elementima.

Radni opseg talasnih dužina	Materijal
					a Kalibrirana fotodioda b TO-46 kućište Princip rada Od uvođenja prvih komercijalnih fotomultiplikatora 1940. godine, ovaj tip detektora je ostao jedan od najpopularnijih za eksperimente koji zahtijevaju brzo vrijeme odziva i visoku osjetljivost. Danas su fotomultiplikatori nezamjenjivi u istraživanju iz oblasti analitičke hemije, fizike čestica, astronomije, atomske i molekularne fizike, kao i u medicini i kontroli industrijskih procesa. Fotomultiplikatorske cijevi (PMT) su osjetljivi detektori sa visokim pojačanjem čija je izlazna struja proporcionalna upadnom zračenju. Fotomultiplikator se sastoji od staklene vakuumske cijevi koja sadrži fotokatodu (fotoemisioni materijal), 8-14 dinoda (sekundarna emisija) i anodu (sakupljač sekundarnih elektrona). Ako foton s dovoljno visokom energijom (tj. s energijom većom od energije vezivanja elektrona materijala fotokatode) padne na fotokatodu, on se apsorbira i emituje se elektron (fotoelektrični efekat). Budući da je potencijal na prvoj dinodi veći od potencijala na katodi (stvara se razlika potencijala između ovih elemenata), oslobođeni elektron se ubrzava u električnom polju i usmjerava u dinodni sistem, gdje zbog sekundarnog (udara) Emisija elektrona, formira se lavina elektrona, koja se povećava od dinode do dinode, koja stiže do anode. Po pravilu, svaka dinoda ima potencijal koji je za 100 - 200 V veći od potencijala prethodne dinoda. Anodna struja se pretvara u napon spajanjem opterećenja niskog otpora u krug između anode i mase. FEU i od kompanije Thorlabs koristite transimpedansno pojačalo (TIA) za pretvaranje struje ploče (nA ili µA) u napon (mV ili V). Moduli, i ne sadrže transimpedansno pojačalo. Na primjer, ako se PMT sastoji od 8 dinoda, kao što je prikazano na sl. ispod i svaki elektron dovodi do pojave 4 sekundarna elektrona, tada će strujno pojačanje nakon dinodnog sistema biti 4 8 ​​≈ 66.000. U datom primjeru, svaki fotoelektron dovodi do pojave lavine sa nabojem Q = 4 8 e, koja stiže na anodu. Impuls napona je jednak V = Q/C = 4 8 e /C, gdje je C anodni kapacitet. Ako je kapacitivnost 5 pF, tada će izlazni impulsni napon biti 2,1 mV. Spektralna osjetljivost Prilikom odabira PMT-a, morate obratiti pažnju na materijal fotokatode, jer određuje dugotalasnu granicu spektralne osjetljivosti. Kratkovalna granica je određena materijalom prozora. Danas se proizvode različiti tipovi fotomultiplikatora za rad u rasponu od UV do IR, koristeći različite fotokatodne materijale, od kojih je svaki dizajniran za rad u određenom spektralnom rasponu. Kvantna efikasnost (QE) je vrijednost, izražena u %, koja karakterizira sposobnost fotomultiplikatora da pretvori upadne fotone u elektrone. Na primjer, QE je 20%. To znači da će jedan od 5 fotona koji upadnu na fotokatodu proizvesti fotoelektrone. Za probleme brojanja fotona, poželjno je imati fotomultiplikator sa visokom kvantnom efikasnošću. Pošto QE zavisi od talasne dužine, potrebno je odabrati PMT sa maksimalnom kvantnom efikasnošću u spektralnom opsegu od interesa. Treba napomenuti da fotokatode za vidljivo područje spektra, po pravilu, imaju QE<30%. Kvantna efikasnost fotomultiplikatora može se izračunati pomoću formule: gdje je S integralna osjetljivost [A/W], λ je talasna dužina [nm]. PMT konfiguracija Dostupne su dvije glavne PMT konfiguracije: ulazni prozor se nalazi na kraju ili bočnom zidu vakum boce. U slučaju kada se ulazni prozor nalazi na kraju, PMT je opremljen prozirnim fotokatodama i karakteriše ga velika oblast aktivne oblasti, prostorna homogenost i veće performanse u plavoj i zelenoj oblasti spektra. Ova konfiguracija je poželjna za aplikacije koje zahtijevaju široku spektralnu osjetljivost, kao što je spektroskopija. PMT-ovi sa bočnim prozorima koriste neprozirne fotokatode, konfiguraciju koja se najčešće koristi za UV i IR aplikacije. Konfiguracija bočnog prozora je jeftinija od konfiguracije krajnjeg prozora i često se koristi za aplikacije koje zahtijevaju visoku kvantnu efikasnost, kao što su mjerenja scintilacije. 8-14 dinoda je raspoređeno linearno ili u krug. Sa linearnim rasporedom (kao što je prikazano na slici), PMT ima brzo vreme odziva, visoku rezoluciju i linearnost. Dinode su raspoređene u krug u PMT-ovima sa bočnim prozorom i u nekim PMT-ovima sa krajnjim prozorom, a sistem ima kompaktnu veličinu i brzo vreme odziva. Dobitak PMT-ovi su jedinstveni jer su sposobni da pojačaju veoma slabe signale sa fotokatode na nivo koji se može detektovati iznad buke očitavanja bez unošenja značajnih smetnji. Dinode su odgovorne za pojačanje signala u fotomultiplikatoru, a pojačanje zavisi od primijenjenog napona. PMT može raditi na naponima višim od onih koje je preporučio proizvođač, dok pruža pojačanje 10-100 puta veće od navedenog u specifikaciji. Kada radi u ovom režimu, fotomultiplikator nema negativan uticaj ako je anodna struja ispod maksimalno dozvoljenih vrednosti. Tamna struja U slučaju idealnog PMT-a, svi signali koje proizvodi fotokatoda nastaju zbog svjetlosti koja ulazi u cijev. Međutim, pravi PMT stvaraju struju čak iu odsustvu upadnog zračenja. Signal koji generiše PMT u odsustvu svjetlosti naziva se tamna struja. Ovaj signal uvelike smanjuje omjer signala i šuma PMT-a. Tamna struja je uglavnom uzrokovana termoionskom emisijom elektrona iz fotokatode i prvih nekoliko dinoda, au manjoj mjeri kosmičkim zracima i zračenjem. Fotomultiplikatori dizajnirani za primjenu u crvenom području spektra imaju veće vrijednosti tamne struje od ostalih fotomultiplikatora zbog niske energije vezivanja elektrona u fotokatodama, koje su osjetljive u crvenom području spektra. Termionska emisija ovisi o temperaturi fotokatode i radnoj funkciji, što znači da hlađenje PMT-a može značajno smanjiti tamnu struju. Kada koristite termoelektrično hlađene PMT, treba izbjegavati kondenzaciju na ulaznom prozoru, jer će vlaga smanjiti količinu svjetlosti koja pada na fotokatodu. Osim toga, potrebno je izbjegavati pretjerano hlađenje, jer to može dovesti do negativnih posljedica: smanjenja nivoa signala ili napona na katodi, jer Otpor katodnog filma obrnuto je proporcionalan temperaturi. Vrijeme uspona Za eksperimente koji zahtijevaju visoku vremensku rezoluciju, vrijeme porasta bi trebalo biti kratko. Vrijeme porasta impulsa anodne struje najčešće se koristi kao karakteristika PMT performansi. Na kraju, vrijeme porasta impulsa je određeno vremenom širenja različitih elektrona. Razlikuje se iz nekoliko razloga. Prvo, početne brzine sekundarnih elektrona se razlikuju. jer oni su izbačeni sa mesta različite dubine u materijalu dinoda. Neki odlazeći elektroni imaju početnu energiju različitu od nule, tako da će za kraće vrijeme stići do sljedećeg dinoda. Vrijeme leta elektrona će također zavisiti od dužine putanje. Kao rezultat svih ovih efekata, vrijeme porasta impulsa anodne struje smanjit će se s povećanjem napona za V -1/2. Ostali faktori Kada radite s PMT-ima, morate pažljivo odabrati elektroniku koja će se koristiti. Čak i male fluktuacije u visokom naponu primijenjenom između katode i anode mogu u velikoj mjeri utjecati na izlazni signal. Pored toga, uslovi okoline takođe mogu uticati na performanse PMT-a. Promjene u temperaturi i vlažnosti, kao i vibracije, negativno utiču na performanse PMT-a. Kućište PMT-a je također od velike važnosti, ne samo da štiti cijev od strane svjetlosti, već i smanjuje utjecaj vanjskih magnetnih polja. Polje s magnetskom indukcijom od nekoliko gausa može smanjiti pojačanje. Ovo se može izbjeći korištenjem magnetnog štita napravljenog od materijala visoke magnetske permeabilnosti.

Fotodioda je poluvodički fotonaponski uređaj koji koristi interni fotoelektrični efekat. Dizajn fotodiode sličan je dizajnu konvencionalne planarne diode. Razlika je u tome što njegov p–n spoj ima jednu stranu okrenutu prema staklenom prozoru kroz koji ulazi svjetlost, a sa druge je zaštićen od svjetlosti. Fotodiode mogu raditi u jednom od dva načina rada:

– bez eksternog izvora električne energije (ventil ili fotogenerator, fotonaponski režim);

– sa vanjskim izvorom električne energije (fotodioda ili fotokonverzija).

Razmotrimo rad fotodiode u ventilskom režimu;

Slika 8.7. Šema strujnog kruga za povezivanje fotodiode za rad u načinu rada kapije

U nedostatku svjetlosnog toka, na granici p–n spoja stvara se kontaktna razlika potencijala. Kroz prijelaz, dvije struje teku jedna prema drugoj - I dr i I diff, koje uravnotežuju jedna drugu. Kada je p–n spoj osvijetljen, fotoni, prelazeći u debljinu poluvodiča, daju energiju dijelu valentnih elektrona dovoljnu za njihov prijelaz u provodni pojas, tj. Zbog unutrašnjeg fotoelektričnog efekta, generiraju se dodatni parovi elektron-rupa. Pod uticajem kontaktne razlike potencijala p–n spoja, manjinski nosioci naboja n-područja - rupe - kreću se u p-područje, a manjinski nosioci naboja p-područja - elektroni - u n. -region. Struja drifta dobija dodatni prirast, koji se naziva fotostruja. Drift manjinskih nosilaca dovodi do akumulacije viška rupa u p-području, a elektrona u n-području, što dovodi do stvaranja razlike potencijala na terminalima fotodiode. kada je vanjski krug otvoren, nazvan foto-EMF potencijalna prijelazna barijera, kao i kod naprijed napona, on se smanjuje za količinu foto-EMF-a, koji se naziva napon otvorenog kruga U xx kada je vanjski krug otvoren. Smanjenje potencijalne barijere povećava difuznu struju DI diff većinskih nosilaca preko spoja. Usmjeren je prema fotostruji. Pošto je prekidač otvoren, u strukturi se uspostavlja termodinamička ravnoteža struja:

Vrijednost foto-emf ne može premašiti kontaktnu potencijalnu razliku p–n spoja. Inače, zbog potpune kompenzacije polja u spoju, prestaje razdvajanje optički generiranih nosača. Tako, na primjer, za selenske i silikonske fotodiode foto-emf doseže 0,5...0,6 V, za fotodiode od galij arsenida - 0,87 V.

Kada je opterećenje spojeno na osvijetljenu fotodiodu (ključ je zatvoren), u električnom kolu će se pojaviti struja zbog drifta manjinskih nosača. Vrijednost struje ovisi o foto-EMF-u i otporu opterećenja, maksimalna struja pri istom osvjetljenju fotodiode će biti kada je otpor otpornika nula, tj. kada je fotodioda kratko spojena. Kada otpor otpornika nije nula, struja u vanjskom kolu fotodiode se smanjuje.

Struja koja teče kroz fotodiodu može se napisati na sljedeći način:

gdje je I f – fotostruja;

I 0 – termička struja p–n spoja;

U je napon na diodi.

Sa otvorenim vanjskim krugom (R n =¥, I f total =0), lako je izraziti napon na prijelazu tokom praznog hoda, koji je jednak foto-EMF:

Fotodiode koje rade u režimu fotogeneratora često se koriste kao izvori energije koji pretvaraju energiju sunčevog zračenja u električnu energiju.

U načinu rada fotodiode ili fotokonverzije, vanjski izvor energije se uključuje serijski sa fotodiodom, pomjerajući diodu u suprotnom smjeru (slika 5.12).

Sl.8.8. Priključni krug fotodiode za rad u fotodiodnom modu

U nedostatku svjetlosnog toka i pod djelovanjem obrnuto primijenjenog napona, uobičajena početna reverzna struja I o, koja se naziva tamna, teče kroz fotodiodu. Tamna struja ograničava minimalnu vrijednost svjetlosnog toka. Kada je fotodioda osvijetljena, kvanti svjetlosti dodatno uklanjaju elektrone iz valentnih veza poluvodiča, čime se povećava protok manjinskih nosilaca naboja kroz p–n spoj. Što je veći svjetlosni tok koji pada na fotodiodu, to je veća koncentracija manjinskih nosilaca naboja u blizini sloja barijere i veća je fotostruja, određena naponom vanjskog izvora i svjetlosnim tokom, teče kroz diodu.

S pravilno odabranim otporom opterećenja Rn i naponom napajanja, ova struja će ovisiti samo o osvjetljenju uređaja, a pad napona na otporu može se smatrati korisnim signalom.

Fotodiodni način rada karakterizira visoka osjetljivost, veliki dinamički raspon konverzije optičkog zračenja i visoke performanse (kapacitivnost barijere p–n spoja se smanjuje). Nedostatak načina rada fotodiode je velika tamna struja, koja ovisi o temperaturi.

5.9. Karakteristike i parametri fotodiode

Fotodioda je opisana strujno-naponskim, energetskim (svjetlosnim), spektralnim i frekvencijskim karakteristikama prikazanim na Sl. 8.9, 8.10.

Ako je izvor napona spojen na neosvetljenu fotodiodu, čija se vrijednost i polaritet mogu mijenjati, tada će dobivene strujno-naponske karakteristike imati isti oblik kao one kod konvencionalne poluvodičke diode (slika 8.9a). Kada je fotodioda osvijetljena, bitno se mijenja samo reverzna grana strujno-naponske karakteristike, dok se prednje grane pri relativno niskim naponima praktično poklapaju.

Slika 8.9. Šema strujnog kruga za povezivanje fotodiode za rad u načinu rada kapije

U kvadrantu III fotodioda radi u fotodiodnom modu, au kvadrantu IV u modu fotoventila, a fotoćelija postaje izvor električne energije. Kvadrant I je neradna oblast za fotodiodu u ovom kvadrantu, p–n spoj je pomaknut u smjeru naprijed.

Energetska karakteristika fotodiode povezuje fotostruju sa svjetlosnim tokom koji pada na fotodiodu. 8.9, b. Kada fotodioda radi u režimu ventila, spektralne karakteristike značajno ovise o otporu otpornika uključenog u vanjsko kolo. Kako raste otpor opterećenja, karakteristike postaju sve više izobličene i pri visokim otporima imaju izraženo područje zasićenja. Kada fotodioda radi u režimu fotodiode, energetske karakteristike su linearne, tj. Gotovo svi fotonosači dolaze do p–n spoja i učestvuju u formiranju fotostruje.

Spektralne karakteristike fotodiode slične su odgovarajućim karakteristikama fotootpornika i zavise od materijala fotodiode i količine nečistoća (slika 8.10a).

Slika 8.10. Spektralni (a) i frekvencijski odziv fotodiode

Selenske fotodiode imaju spektralnu karakteristiku sličnu po obliku spektralnoj ovisnosti osjetljivosti ljudskog oka. Germanijumske i silicijumske fotodiode su osetljive i u vidljivom i u infracrvenom delu spektra zračenja.

Frekvencijski odziv pokazuje promjenu integralne osjetljivosti kada se svjetlina svjetlosnog toka mijenja s različitim frekvencijama modulacije (slika 8.1, b). Performanse fotodiode karakterizira granična frekvencija, na kojoj se integralna osjetljivost smanjuje za faktor njene niske frekvencije.

Za povećanje osjetljivosti i brzine razvijene su sljedeće fotodiode: sa ugrađenim električnim poljem; fotodiode sa p–i–n strukturom; sa Schottky barijerom; lavinske fotodiode.

Fotodiode s ugrađenim električnim poljem imaju neravnomjerno dopiranu bazu, koja stvara unutrašnje električno polje koje ubrzava kretanje manjinskih nosilaca naboja.

Fotodiode sa p–i–n strukturom imaju veću debljinu područja osiromašenog od većinskih nosilaca, otpornost i-oblasti je 10 6 ...10 7 puta veća od otpora dopiranih oblasti n- i p-tipa; . Veliki obrnuti naponi se mogu primijeniti na spoj, a jednolično električno polje se uspostavlja u cijeloj i-regiji. Upadno svjetlosno zračenje apsorbira i-područje, koje ima jako električno polje, što doprinosi brzom odlasku nosilaca u odgovarajuće regije.

Fotodiode sa Schottky barijerom postižu visoke performanse zbog minimalnog otpora baze i odsustva akumulacije i resorpcije viška naelektrisanja. U lavinskim fotodiodama dolazi do lavinskog množenja nosača u p–n spoju i zbog toga se osjetljivost naglo povećava, njihova radna brzina je f gr = 10 11 ... 10 12 Hz. Ove diode se smatraju jednim od obećavajućih elemenata optoelektronike.

Parametri fotodiode su sljedeći:

1. Tamna struja I T - početna reverzna struja koja teče kroz diodu u odsustvu eksternog pristrasnosti i svjetlosnog zračenja (10...20 µA za germanij i 1...2 µA za silikonske diode).

2. Radni napon U p – nazivni napon primijenjen na fotodiodu u fotodiodnom modu (U p =10...30 V).

3. Integralna osjetljivost S int pokazuje kako se fotostruja mijenja s jednom promjenom svjetlosnog toka:

4. Granična frekvencija f gr – frekvencija na kojoj se integralna osjetljivost smanjuje za faktor (10 7 ... 10 12 Hz).

Glavne karakteristike fotodiode su: strujno-naponska karakteristika, svjetlosna i spektralna.

Strujno-naponska karakteristika. U opštem slučaju (za bilo koji polaritet U), struja fotodiode opisuje se izrazom (1). Ovaj izraz predstavlja ovisnost struje fotodiode I f od napona na fotodiodi U pri različitim vrijednostima fluksa zračenja F, tj. je jednadžba za familiju strujno-naponskih karakteristika fotodiode. Grafikoni strujno-naponskih karakteristika prikazani su na sl. 1.7 .

Rice. 1.7 I-V karakteristike fotodiode.

Familija strujno-naponskih karakteristika fotodiode nalazi se u kvadrantima I, III i IV. Kvadrant I je neradno područje za fotodiodu: u ovom kvadrantu se na p-n spoj primjenjuje jednosmjerni napon i difuzijska komponenta struje potpuno potiskuje fotostruju (I p - n >> I f). Fotokontrola preko diode postaje nemoguća.

Kvadrant III je fotodiodno područje fotodiode. Na p-n spoj se primjenjuje obrnuti napon. Treba naglasiti da je u radnom opsegu reverznih napona fotostruja praktično nezavisna od obrnutog napona i otpora opterećenja. Strujno-naponska karakteristika otpornika opterećenja R je prava linija, čija je jednadžba:

E arr - I f · R = U,

gdje je U arr napon izvora obrnutog napona; U – obrnuti napon na fotodiodi; I f – fotostruja (struja opterećenja).

Fotodioda i fotootpornik opterećenja su povezani serijski, tj. kroz njih teče ista struja I f. Ova struja I f se može odrediti tačkom preseka strujno-naponskih karakteristika fotodiode i otpornika opterećenja (slika 1.7 kvadrant III. Dakle, u režimu fotodiode za dati fluks zračenja, fotodioda je izvor). struja I f u odnosu na eksterno kolo. Vrijednost struje I f praktično ne zavisi od parametara vanjskog kola (U arr, R) (slika 1.7.).

Kvadrant IV familije strujno-naponskih karakteristika fotodiode odgovara fotonaponskom načinu rada fotodiode. Tačke preseka strujno-naponskih karakteristika sa naponskom osom odgovaraju vrednostima foto-EMF E f ili napona otvorenog kola U xx (R n = ∞) pri različitim tokovima F. Za silicijumske fotodiode, fotografija -EMF je 0,5-0,55 V. Tačke preseka Volt-amperskih karakteristika sa strujnom osom odgovaraju vrednostima struja kratkog spoja I kratkog spoja (R n = 0). Međuvrijednosti otpora opterećenja određene su linijama opterećenja, koje za različita značenja R n ostavljaju ishodište pod različitim uglovima. Pri datoj vrijednosti struje, prema strujno-naponskim karakteristikama fotodiode, možete odabrati optimalni način rada fotodiode u fotonaponskom režimu (slika 1.8). Pod optimalnim režimom u u ovom slučaju razumjeti izbor takvog otpora opterećenja pri kojem će se najveća električna snaga prenijeti na R n.

Sl.1.8. I-V karakteristike fotodiode u fotonaponskom režimu.

Optimalni režim za protok F1 odgovara liniji opterećenja R1 (područje zasjenjenog pravokutnika sa vrhom u tački A, gdje se linije F1 i R1 sijeku, bit će najveća - slika 1.8). Za silicijumske fotodiode pri optimalnom opterećenju, napon na fotodiodi je U=0,35-0,4 V.

Svjetlosne (energetske) karakteristike fotodiode– ovo je zavisnost struje od svetlosnog toka I = f(F):

Rice. 1.9. Svjetlosna karakteristika FD.

U režimu fotodiode, energetska karakteristika u radnom opsegu tokova zračenja je linearna.

To sugerira da gotovo svi fotonosači dolaze do pn spoja i učestvuju u formiranju fotostruje, gubitak manjinskih nosača uslijed rekombinacije ne ovisi o fluksu zračenja.

U fotonaponskom režimu, energetske karakteristike su predstavljene zavisnošću struje kratkog spoja I kz ili foto-EMF E f o fluksu zračenja F. Kod velikih fluksova F, zakon varijacije ovih zavisnosti značajno odstupa od linearnog (Sl. 1.10).

Photodiode način rada

Sl.1.10.Svjetlosne karakteristike PD

Za funkciju Ic = f(F), pojava nelinearnosti je povezana sa povećanjem pada napona na zapreminskom otporu baze poluvodiča. Smanjenje foto-emf objašnjava se smanjenjem visine potencijalne barijere sa akumulacijom viška naboja elektrona u n-području i rupa u p-području.

Diodni način rada ima sljedeće prednosti u odnosu na generatorski način rada:

· izlazna struja u režimu fotodiode ne zavisi od otpora opterećenja u režimu generatora, maksimalna ulazna struja se može dobiti samo kratkim spojem u opterećenju.

· fotodiodni režim karakteriše visoka osetljivost, veliki dinamički opseg konverzije optičkog zračenja, visoke performanse (barijera kapacitivnost p-n tranzicija se smanjuje).

Nedostatak načina rada fotodiode je ovisnost tamne struje (obrnuto trenutni p-n prijelaz) na temperaturu.

Glavni parametri su:

· tamna struja I t.

· radni napon U slave – napon primijenjen na diodu u modu fotokonverzije.

· Integralna osetljivost K f.