A fotodióda egy félvezető dióda, amelynek áramerőssége a megvilágítástól függ. Ez az áram jellemzően a fotodióda fordított áramára vonatkozik, mert a megvilágítástól való függése nagyságrendekkel erősebb, mint az előremenő áram. A jövőben kifejezetten a fordított áramról fogunk beszélni.

Általában a fotodióda egy fénysugárzásra nyitott pn átmenet. Fény hatására a területen p-n csomópont töltéshordozók (elektronok és lyukak) keletkeznek, amelyek áthaladnak rajta, és a fotodióda kivezetésein feszültséget okoznak, vagy zárt körben áram folyik.

A fotodiódát anyagától függően úgy tervezték, hogy az infravörös, optikai és ultraibolya hullámhossz-tartományban regisztrálja a fényáramot. A fotodiódák szilíciumból, germániumból, gallium-arzenidből, indium-gallium-arzenidből és más anyagokból készülnek.

A fotodiódákat széles körben használják vezérlőrendszerekben, metrológiában, robotikában és más területeken. Más alkatrészek részeként is használatosak, például optocsatolók, optorelék. A mikrokontrollerekkel kapcsolatban a fotodiódákat különféle érzékelőként használják - határérték-érzékelők, fényérzékelők, távolságérzékelők, impulzusérzékelők stb.

Megnevezés diagramokon

On elektromos diagramok A fotodiódát diódának nevezzük, és két nyíl mutat feléje. A nyilak a fotodiódára eső sugárzást szimbolizálják. Ne keverje össze ezt a LED-jelöléssel, amelyen nyilak mutatnak tőle.

A fotodióda betűjelölése lehet VD vagy BL (fotocella).

Fotodióda üzemmódok

A fotodióda két üzemmódban működik: fotodióda és fotovoltaikus (fotovoltaikus, generátor).

A fotodióda mód olyan tápegységet használ, amely előfeszíti a fotodiódát fordított irány. Ebben az esetben a fotodiódán a rá eső fényárammal arányos fordított áram folyik át. Az üzemi feszültségtartományban (azaz a leállás előtt) ez az áram gyakorlatilag független az alkalmazott fordított feszültségtől.

Fotovoltaikus üzemmódban a fotodióda külső áramforrás nélkül működik. Ebben az üzemmódban érzékelőként vagy akkumulátorként működhet ( napelem), mivel fény hatására a fotodióda kivezetésein a sugárzási fluxustól és terheléstől függően feszültség jelenik meg.

Áram-feszültség karakterisztika

A fotodióda működési módjának jobb megértéséhez figyelembe kell venni az áram-feszültség karakterisztikáját.

A gráf 4 területből, úgynevezett kvadránsból áll. A fotodióda üzemmód a 3. kvadráns működésének felel meg.

Sugárzás hiányában a grafikon a hagyományos félvezető dióda áram-feszültség karakterisztikájának fordított ágát ábrázolja. Van egy kis fordított áram, amelyet a fordított előfeszítésű pn átmenet termikus (sötét) áramának neveznek.

Fényáram jelenlétében a fotodióda ellenállása csökken, és a fotodióda fordított árama nő. Minél több fény esik, annál több fordított áram folyik át a fotodiódán. A fotodióda fordított áramának a fényáramtól való függése ebben az üzemmódban lineáris.

A grafikonon látható, hogy a fotodióda fordított árama gyengén függ a fordított feszültségtől. Nézd meg a grafikon meredekségét a nulla feszültségtől a leállási feszültségig, kicsi.

A fotovoltaikus üzemmód a 4. kvadránsban lévő fotodióda működésének felel meg.És itt két korlátozó esetet lehet megkülönböztetni:

Alapjárat (xx),
- rövidzárlat (zárlat).

A közel üresjárati üzemmódot arra használják, hogy energiát nyerjenek a fotodiódából. Vagyis a fotodióda napelemként való használatához. Természetesen egy fotodióda kevés haszna lesz, és a hatásfoka is alacsony. De ha sok elemet csatlakoztat, akkor egy ilyen akkumulátor képes táplálni néhány alacsony fogyasztású eszközt.

Rövidzárlatos üzemmódban a fotodiódán lévő feszültség közel nulla, és a fordított áram egyenesen arányos a fényárammal. Ezt a módot fotóérzékelők építésére használják.

Mik a fotodióda és a fotovoltaikus üzemmód előnyei és hátrányai? A fotodióda mód gyorsabb fotodióda teljesítményt biztosít, de ebben az üzemmódban mindig van sötét áram. Fotovoltaikus üzemmódban nincs sötét áram, de az érzékelő teljesítménye lassabb lesz.

2. Egységes IP jelek

3. Fordított IP hozzárendelése

1. Fotodiódák tulajdonságai, kapcsolóáramkörök, alkalmazása.

Fotodióda (PD) - egy optikai sugárzás vevő, amely a fényérzékeny tartományára beeső fluxust elektromos töltéssé alakítja a p-n átmenetben zajló folyamatok következtében.

ábrán. A 9. ábra egy fotodióda blokkvázlatát mutatja külső célelemekkel.

1-félvezető kristály;

2-csapos;

3-következtetések;

elektromágneses sugárzás F-fluxusa;

E-forrás feszültség DC;

Rn-terhelési ellenállás.

Rizs. 9. Blokkdiagram fotodióda

Működési elv

at világítás p-nátmenet monokromatikus sugárzással fotonenergiával > ( a sávrés), a sugárzáskvantumok belső abszorpciója megy végbe, és nem egyensúlyi fotoelektronok és fotolyukak keletkeznek. A befolyás alatt elektromos mezőátmenet, ezek a fotohordozók mozognak: elektronok - az n-régióba, és lyukak - a p-régióba, azaz. a csomóponton nem egyensúlyi hordozók sodródó árama folyik át. A fotodióda áramát a kisebbségi vivőáram határozza meg.

A fotovoltaikus cellák fény- és áram-feszültség karakterisztikáját meghatározó egyenlet a következőképpen ábrázolható:

, (5)

, (6)

hol van a sötét szivárgó áram a p-n keresztülnátmenet;

- telítési áram, azaz. abszolút érték az az érték, amelyre a sötétáram hajlik;

A– a fotocella anyagától függő együttható, amelynek értéke 1-től 4-ig terjed (germánium fotodiódák esetén 1);

- hőmérsékletK;

, k(elemi töltés);

(Boltzmann-állandó);

A megvilágított fotodióda áram-feszültség jellemzőinek családját a 10. ábra mutatja.

Rizs. 10. A fotodióda áram-feszültség jellemzői

A fotodióda áram-feszültség jellemzőinek családja az I., III., IV. kvadránsokban található. Az I. kvadráns a fotodióda nem működő területe ebben az üzemmódban, a diódán áthaladó áram fényvezérlése lehetetlen.

A fotodióda áram-feszültség karakterisztikája IV. kvadránsa megfelel a fotodióda fotovoltaikus üzemmódjának. Ha a célpont nyitott, akkor az n-régióban az elektronok, a p-régióban a lyukak koncentrációja nő, az átmenetben lévő szennyezőatomok tértöltési tere részben kompenzálódik és a potenciálgát csökken. Ez a csökkenés az Uxx fotodióda nyitott áramköri feszültségének nevezett fotoEMF mennyiséggel történik. Az Uxx értéke PD esetén 0,5-0,55 V GaAs - gallium-arzenid Uxx=0,8÷0,9 V esetén, és nem haladhatja meg az átmenet érintkezési potenciálkülönbségét, mivel teljesen kompenzált elektromos mezőés a fotohordozók szétválása az átmenetben megáll.

Ha a p- és n-régiókat külső vezető köti össze (zárlati mód), akkor Uxx=0 és nem egyensúlyi fotohordozók által alkotott rövidzárlati áram folyik a vezetőben.

A köztes értékeket terhelési vonalak határozzák meg, amelyek különböző értékeknél különböző szögben hagyják el az origót. Adott áramértékhez a PD áram-feszültség karakterisztikának megfelelően kiválasztható a fotodióda optimális üzemmódja, amelyben a legnagyobb elektromos teljesítmény kerül át a terhelésre.

A fotodióda fő fénykarakterisztikája fotovoltaikus üzemmódban a rövidzárlati áram fényáramtól való függése. és az Uхх = fényáramból származó nyitott feszültség, tipikus függőségeiket a 11. ábra mutatja.

Amint a 11. ábrán látható, a függőség lineáris a Ф széles tartományában és csak jelentős fényáramoknál (Ф>2000...3000lm) kezd megjelenni a nemlinearitás.

Az Uxx = függés szintén lineáris, de 200÷300 lm-t meg nem haladó fényáram mellett jelentős nemlinearitása van 4000 lm-nél nagyobb Ф-nél. Nemlinearitás ahogy F növekszik, ez a fotodiódabázis térfogati ellenállásán bekövetkező feszültségesés növekedésével magyarázható, az Uхх = nemlinearitás pedig a potenciálgát csökkenésével magyarázható az F növekedésével.

A PD jellemzői nagymértékben függenek a hőmérséklettől. A szilícium PD-k esetében az Uxx 2,5 mV-tal csökken a hőmérséklet 1˚С-os növekedésével, míg az Icr relatív egységekben 3∙10 -3 1/˚С-kal nő.

Rizs. 11. A fotodióda fénykarakterisztikája

A III. kvadráns a PD működés fotodióda tartománya, amelyben a p-n átmenetre fordított feszültség kerül (9. ábra).

A terhelő ellenállás áram-feszültség karakterisztikája egy egyenes, melynek egyenlete:

,

hol van a PD fordított feszültsége,

– fotoáram.

A fotodióda és a terhelő ellenállás sorba van kötve, azaz. ugyanaz az áram folyik rajtuk . Ezt az áramot a fotodióda I-V karakterisztikája és a terhelési ellenállás metszéspontja határozhatja meg.

Így a fotodióda üzemmódban adott F sugárzási fluxus esetén a fotodióda áramforrás a külső áramkörhöz képest. Ráadásul az áram értéke gyakorlatilag nem függ a külső áramkör paramétereitől (,).

Működési elv

A 2. ábra a fordított előfeszítésű fotodiódával ellátott detektorok működési elvét tükröző diagramot mutat be. A keletkezett fotoáram nagysága függ a fényáramtól és a sugárzás hullámhosszától. Terhelési ellenállás csatlakoztatásakor ez az érték oszcilloszkóp segítségével figyelhető meg. Az RC szűrő feladata, hogy elnyomja a tápegységből származó nagyfrekvenciás zajokat.

3. ábraÉrzékelő áramkör erősítővel

Erősítős fotodetektor áramkör használatakor a felhasználó kiválaszthatja a fotodióda működési módját (fotovoltaikus vagy fotodióda). Mindegyik módnak megvannak a maga előnyei:

Fotovoltaikus üzemmód: Fotovoltaikus üzemmódban a diódára nincs feszültség, és a műveleti erősítő A bemenete potenciális. egyenlő a potenciállal pontban B. Ebben az üzemmódban a sötétáram elhanyagolható.

Fotodióda mód: Fotodióda módban a pn átmenetre fordított előfeszítő feszültség kerül, ami csökkenti a csomópont kapacitását és növeli a sávszélességet. Az erősítés a visszacsatoló ellenállástól (R f) függ. A detektor sávszélességét a következő képlet határozza meg:

Ahol GBP az erősítés és a műveleti erősítő sávszélességének szorzata, C D a csomópont és az erősítő kapacitásának összege.

Modulációs frekvencia

A legtöbb detektor, köztük a PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) és InAsSb zajspektrális sűrűsége 1/f összefüggésben áll (a zaj csökken a frekvencia növekedésével), ami jelentős hatással van az időállandóra az alacsony frekvenciájú tartományban.

Így a sugárzás modulációs frekvenciája (intenzitásváltozási sebessége) befolyásolja a készülék érzékenységét. A fotodetektor jellemzőinek optimális értékei a következő frekvencián érhetők el:

Az akkumulátor élettartama

Elemes fotodetektor használatakor fontos megérteni az elem élettartamát és azt, hogy ez hogyan befolyásolja az érzékelő teljesítményét. Az érzékelő kimeneti árama egyenesen arányos a beeső sugárzási fluxussal. A legtöbb felhasználó ezt az áramot feszültséggé alakítja megfelelő terhelés segítségével. Az ellenállás mértéke megközelítőleg megegyezik az áramkör erősítésével. A nagy sebességű érzékelőkhöz, mint például a , 50 ohmos terhelést kell használni, hogy megfeleljen a szabványos koaxiális kábelek impedanciájának. Ez csökkenti a visszaverődést és javítja a kimeneti jel minőségét.

Az elem élettartama közvetlenül függ az érzékelő áramától. A legtöbb akkumulátorgyártó az akkumulátor élettartamát mAh-ban (milliamperóra) fejezi ki. Például, ha az akkumulátor 190 mAh névleges, akkor 190 órán át fog működni, miközben 1,0 mA áramot fogyaszt.

Működjön az a forrás, amelynek sugárzása a detektorra esik, 780 nm hullámhosszon, 1 mW átlagos teljesítménnyel. A detektor érzékenysége adott hullámhosszon 0,5 A/W. A fotoáramot a következő képlettel lehet kiszámítani:

Így az akkumulátor élettartama:

vagy 16 nap folyamatos munkavégzés. A beeső sugárzás átlagos teljesítményének 10 μW-ra csökkentésével ugyanazon akkumulátor élettartama 4 év folyamatos működésre nő. Az ajánlott 50 ohmos lezárás használatakor a fotoáram (0,5 mA) feszültséggé alakul: Ha a beeső teljesítményt 40 μW-ra csökkentjük, a kimeneti feszültség 1 mW lesz. Egyes mérőeszközöknél ez az érték túl alacsony lehet, ezért kompromisszumot kell kötni az akkumulátor élettartama és a mérési pontosság között.

Elemes érzékelők használatakor alacsony intenzitású sugárzás alkalmazása szükséges, figyelembe véve a minimálisan szükséges feszültségszintet. Azt is fontos megjegyezni, hogy az akkumulátor nem hagyja azonnal abba az áramtermelést, ha az élettartama végéhez közeledik. Először az akkumulátor feszültsége csökken, és elektromos potenciál, a fotodiódára alkalmazott csökkenni fog. Ez viszont az érzékelő válaszidejének növekedéséhez és a sávszélesség csökkenéséhez vezet.

Ezért fontos annak biztosítása, hogy az akkumulátor elegendő feszültséget biztosítson az érzékelő optimális működéséhez.

Azokban az alkalmazásokban, ahol az érzékelőket kellően nagy teljesítményű forrás folyamatosan besugározza, vagy az elemek folyamatos cseréje elfogadhatatlan, a vállalat Thorlabs Adaptert és tápegységet kínál. Ennek az opciónak a hátránya a zaj, amely hozzáadódik a kimeneti jelhez, és növelheti a mérési hibát.

Az ólom-szulfid (PbS) és ólom-szelenid (PbSe) detektorokat széles körben használják 1000 és 4800 nm közötti sugárzás kimutatására. Míg a fotodióda fény hatására áramot termel, a fotoellenállás megváltoztatja az ellenállás értékét besugárzáskor. Bár a PbS és PbSe detektorok használhatók szobahőmérsékletű, a hőmérséklet-ingadozások befolyásolják a készülék sötét ellenállását, érzékenységét és teljesítményét.

Működési elv

A fény elnyelésekor felesleges töltéshordozók jelennek meg a fényvezető anyagban, ami a vezetőképesség növekedéséhez és az ellenállás csökkenéséhez vezet. Az ellenállás megváltoztatása megváltoztatja a mért feszültséget. ábrán. Egy diagramot mutatunk be, amely tükrözi a fényvezető anyagokon alapuló detektorok működési elvét. Meg kell jegyezni, hogy a bemutatott áramkör gyakorlati használatra nem ajánlott az alacsony frekvenciájú zaj jelenléte miatt.

Az észlelési mechanizmus egy fényérzékeny elem vékony filmjének vezetőképességén alapul. Az érzékelő kimenetén beeső sugárzás hiányában a jelet a következő egyenlet határozza meg:

A ΔV OUT kimenet feszültségének változása a ΔR Sötét ellenállás változása miatt következik be, amikor fény éri az érzékelő aktív területét:

Frekvenciaválasz

Az érzékelők esetében az érzékenység fénymodulációs frekvenciától való függősége a következő:

Ahol f c a modulációs frekvencia, R 0 az érzékenység 0 Hz frekvencián, τ r a felfutási idő.

A hőmérséklet hatása

A PbS és PbSe detektorok fényérzékeny eleme egy vékony filmréteg üveghordozón. A fényvezető elem alakja és aktív tartománya az üzemi körülményektől függően változik, így más jellemzők is megváltoznak. Különösen az érzékelő érzékenysége változik az üzemi hőmérséklettől függően.

A detektor hűtése a spektrális érzékenységi tartományt hosszabb hullámhosszokra tolja el. Az optimális eredmény érdekében javasolt a bemutatott detektorok ellenőrzött környezeti feltételek mellett történő használata.

Fényvezető anyag alapú detektor kapcsolási rajza erősítővel

A zajjellemzők miatt célszerű fotoellenállást beépíteni az áramkörbe AC. Ha egy fotoellenállást egy egyenáramú áramkörre csatlakoztatunk, a rákapcsolt feszültség okozta zaj a feszültség növekedésével növekszik, így korlátozza az érzékelő érzékenységét. A karakterisztika stabilitásának fenntartásához és a nagy jelerősítési értékek eléréséhez előerősítőt kell használni.

A diagram (fenti ábra) szerint a műveleti erősítő (op-amp) visszacsatoló hurok segítségével igyekszik kiegyenlíteni a potenciálokat az A és B pontokban. Az op-erősítő bemenetén lévő feszültségkülönbség felerősítésre kerül, és a kimenetre kerül. Megjegyzendő, hogy az erősítő bemenetén lévő felüláteresztő szűrő nem engedi át a DC jelet. Ezenkívül a terhelési ellenállásnak meg kell egyeznie az érzékelő sötét ellenállásával a maximális jel elérése érdekében. A tápfeszültségnek (+V) olyannak kell lennie, hogy a jel-zaj arány optimális legyen, és megközelítse az egységet. Egyes feladatok többet igényelnek magas szintű feszültség, ami növeli a zajszintet. A kimeneti feszültséget a következő képlet határozza meg:

Jel/zaj arány

Mivel az érzékelő zajszintje fordítottan arányos a jel modulációs frekvenciájával, a zaj alacsony frekvenciákon nő. Az érzékelő kimenetén a jel lineárisan növekszik az előfeszítési feszültség növekedésével, de a zajjellemzők kis mértékben függnek az előfeszítési feszültségtől alacsony szinten. Egy bizonyos előfeszítési feszültség elérése után az érzékelő zaja a feszültség növekedésével lineárisan növekedni kezd. Magas feszültségen a zaj exponenciálisan növekedni kezd, csökkentve a jel-zaj arányt. Az optimális jel/zajszint biztosítása érdekében be kell állítani a jelmodulációs frekvenciát és az eltolási feszültséget.

Sötét Ellenállás

A sötét ellenállás a detektor ellenállása fény hiányában. Meg kell jegyezni, hogy a sötét ellenállás a hőmérséklet változásával nő vagy csökken. Az érzékelő hűtése csökkenti a sötét ellenállás értékét.

Észlelési képesség (D) és specifikus észlelési képesség (D*)

A detektálás (D) egy másik mennyiség, amelyet a fotodetektor hatékonyságának értékelésére használnak. Az észlelési képesség az érzékenységet jellemzi, és fordítottan arányos a zajegyenértékes teljesítménnyel (NEP):

Minél nagyobb a detektálási érték, annál nagyobb az érzékenység, vagyis a detektor képes gyenge jeleket is regisztrálni. Az észlelési képesség a beeső fotonok hullámhosszától függ.

Egy detektor NEP-je, így detektálási képessége az aktív tartománytól függ, így két detektor tulajdonságainak összehasonlítása nem egyszerű feladat. Ettől a függőségtől való megszabaduláshoz használjon specifikus detektálási képességet (D*), amely nem függ a detektor területétől, és a fotodetektor hatékonyságának értékelésére szolgál. Az alábbi egyenletben A a fényérzékeny terület területe.

Kétdimenziós helyzetérzékeny érzékelők

Tekintse át

A kétdimenziós helyzetérzékeny érzékelők képesek mérni a sugár helyzetét, megtételi távolságát vagy beesési szögeit, valamint visszacsatolásként használhatók beállító rendszerekben, például tükrök helyzetének szabályozására, mikroszkópos fókuszálásra stb. A detektor a fényfolt helyzetét a fénysugár beesési pontján keletkező fotoáram arányos eloszlása ​​alapján határozza meg. Kétféle kétdimenziós helyzetérzékeny érzékelő létezik: kétutas elektródákkal és négyutas elektródákkal.

A kétoldalas elektródákkal ellátott szenzorok rezisztív rétegeket tartalmaznak a hordozó mindkét oldalán. Az érzékelőnek négy kimenete van. A fotoáram két bemeneti és két kimeneti komponensre oszlik. A kimeneti áramok eloszlása ​​határozza meg az Y koordináta helyzetét, a bemeneti áramok eloszlása ​​pedig a nyaláb helyzetének X koordinátáját.

A négyoldalas elektródákkal rendelkező érzékelők egy érzékeny ellenállású réteggel rendelkeznek a hordozó egyik oldalán. Az ilyen érzékelők sokkal olcsóbbak, mint a kétoldalas elektródákkal ellátott érzékelők. Azonban ezen érzékelők válaszának linearitása csökken, ahogy a nyaláb eltávolodik a középponttól. Ez annak köszönhető, hogy az anódok az érzékelő kerülete mentén helyezkednek el. Vállalat Thorlabs az érzékelők egyik változatát használja négyoldalú elektródák elrendezésével - egy „párna” alakú érzékelőt. Egy ilyen érzékelő modellje a fenti ábrán látható. Az anódok az érzékelő sarkaihoz mozognak, göndör alak Az elektródák kompenzálják a jel torzítását a kerület közelében. Ez a modell linearitást mutat a kétoldalas elektródákkal ellátott érzékelők szintjén, de lényegesen alacsonyabb költséggel.

A gerenda helyzetszámításának elve

PDP90A detektor a cégtől Thorlabs felszerelve egy áramkörrel a Δx, Δy és a jelek összegének kiszámításához a következő képletek szerint:

Ezen képletek szerint a távolságot hosszegységekben a következő egyenletek segítségével lehet kiszámítani:

ahol x és y az érzékelő középpontja és széle közötti távolságok, Lx és Ly az ellenállásréteg jellemző méretei. PDP90A detektor esetén Lx = Ly = 10 mm. Meg kell jegyezni, hogy az ellenálló réteg méretei nem egyeznek meg az érzékelő aktív tartományának méreteivel. Az ábrán szürkével jelöltük az aktív régiót.

Pozíció hiba

Ellentétben a kvadráns érzékelőkkel, amelyek mind a négy aktív terület átfedését igénylik, a bemutatott érzékelők lehetővé teszik, hogy információt szerezzünk a sugár elhelyezkedéséről a detektor bármely pontján, függetlenül a sugár alakjától, méretétől és teljesítményeloszlásától. Az érzékelő meghatározza a fényfolt középpontjának helyzetét mindaddig, amíg a folt a fényérzékeny területen van. Ha a fényfolt egy része elhagyja a fényérzékeny felületet, akkor a középpont eltolódik, és a mérések megbízhatatlanná válnak.

A környezeti megvilágítás szintje is okozhat hibákat a sugárpozíció mérésében. A hibák csökkentése érdekében jobb, ha a méréseket sötétben végezzük. A fókuszáló optika és a rekesznyílások használata csökkenti a környezeti megvilágítással kapcsolatos hibákat is.

Engedély

A helyzetérzékeny detektor felbontása a fényfolt minimális érzékelhető elmozdulása az érzékelő felületén. A felbontás (ΔR) függ az ellenállási réteg méretétől (L x vagy L y) és a jel-zaj viszonytól (S/N). Ennek a rendszernek a jel-zaj viszonyát a kimeneti jelek összegének (V o) a zajfeszültséghez (e n) viszonyított arányaként határozhatjuk meg. A PDP90A detektor kimeneti zaja az<2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).

Ahol

ΔR – felbontás,

Lx a rezisztív réteg jellemző mérete,

e n – zajfeszültség az érzékelő kimenetén,

Vo – a kimeneti feszültségek összege.

PDP90A detektorhoz:

Az optimális eredmény elérése érdekében a V o értéket 4 V-ra kell növelni, ami 0,750 µm detektorfelbontást biztosít. Ehhez figyelni kell az érzékelő teljes kimenő jelét (SUM), és ezzel egyidejűleg be kell állítani a beeső sugárzás intenzitását, amíg a kimeneti feszültség el nem éri a 4 V-ot. A 4 V-nál nagyobb feszültség telíti a rendszert, és ezért elvezetést. mérési hibákra. A mellékelt szoftver lehetővé teszi a feszültségszint egyszerű nyomon követését. Ha a teljes feszültség a telítési szint felett van, a teljes feszültségszintet jelző csúszka pirosra vált. Ebben az esetben a sugárzás intenzitását olyan szintre kell csökkenteni, amelynél a csúszka színe zöldre vált. Ez az érték 4 V kimeneti feszültségnek felel meg.

Kvadráns fotodiódákon alapuló pozícióérzékeny detektor

Egy ilyen detektor érzékelője négy egyforma kvadráns fotodiódából áll, amelyeket ~0,1 mm-es rés választ el egymástól, és együtt alkotnak egy kör alakú érzékelési zónát a beeső sugár helyzetének meghatározásához (2D formátumban). Amikor fény éri az érzékelőt, minden területen fotoáram keletkezik (Q1, Q2, Q3 és Q4 ábrán). Ezen jelek alapján a különbségi jelek kiszámítása ADC segítségével történik. A normalizáláshoz mind a négy jel összegét is kiszámítjuk. A sugárpozíció normalizált koordinátáit (X, Y) a következő egyenletek segítségével határozzuk meg:

Ha szimmetrikus nyaláb esik az érzékelő közepére, akkor a rendszer 4 egyforma fotoáramot regisztrál a kimeneten, pl. a különbségjelek 0-val lesznek egyenlők, a normalizált koordináták (X, Y) = (0, 0). A fényáramok megváltoznak, ha a nyaláb eltolódik a középponthoz képest. Ebben az esetben az áramkülönbség nem lesz 0.

A kvadráns fotodióda detektorok nagyon pontosak és ideálisak az automatikus beállítási rendszerekhez. A nyaláb alakját és intenzitáseloszlását azonban figyelemmel kell kísérni, mert az ilyen típusú detektor érzékeny ezekre a paraméterekre. Azoknál a nyaláboknál, ahol a teljesítményeloszlás nem Gauss-féle, a középpontot a teljesítményeloszlás alapján kell meghatározni (nem a geometriai sugárközéppontot). Az ilyen nyalábokhoz előnyösebb az előző bekezdésben leírt detektorokat használni.

A Geiger módban működő lavina fotodiódák képesek egyedi fotonok észlelésére. Az egyfotonszintű érzékenység úgy érhető el, hogy az előfeszítési feszültséget a letörési feszültség fölé emeljük (4. ábra A pontja). A lavina fotodióda metastabil állapotban marad mindaddig, amíg egy foton el nem nyelődik, ami lavina keletkezését okozza (B pont). Ezt a lavinát egy aktív csillapító áramkör csillapítja a fotodiódában (C pont), amely az előfeszítési feszültséget a letörési feszültség (V BR) alatti értékekre csökkenti.

4. ábra: Lavina fotodióda áram-feszültség karakterisztikája Geiger módban

A nagy előfeszítő feszültség ezután visszaállítható. E folyamat során, amelyet dióda holtidőnek neveznek, a lavina fotodióda érzéketlen a beeső fotonokra. Amikor a dióda metastabil állapotban van, spontán lavinák képződése lehetséges. Ha a lavinák spontán kialakulása kaotikusan megy végbe, akkor a rögzített jelet sötét számlálásnak nevezzük. Ha a lavinák spontán kialakulása időben korrelál a beeső fotonok impulzusaival, akkor az ilyen jelet utóimpulzusnak nevezzük. Az utóimpulzusok mérés közbeni rögzítésének elkerülése érdekében programozottan (szoftver segítségével) megadhat további holtidőt, ami miatt a számláló figyelmen kívül hagyja az ezalatt előforduló impulzust.

Alapvető jellemzők és fogalmak

Geiger mód

Ebben az üzemmódban a dióda a letörési feszültségnél nagyobb előfeszítési feszültséggel működik. Ezért egyetlen elektron-lyuk pár (a fotonabszorpció vagy a hőingadozások hatására) lavinafolyamatot indíthat el.

Sötét számlálási arány

Ez a beeső sugárzás hiányában rögzített számlálások átlaga, amely meghatározza azt a minimális számlálási sebességet, amelynél a rögzített jel elsősorban a tényleges fotonoknak köszönhető. A hamis fotonok észlelése elsősorban a hőingadozásoknak köszönhető, így hűtött detektorokkal elkerülhető

Aktív kiürítés akkor fordul elő, amikor a diszkriminátor lavinaáram fellépését észleli, és élesen csökkenti az előfeszítő feszültséget a letörési feszültség alatti értékekre. A következő foton rögzítésére való felkészülés során az előfeszítési feszültséget ismét a letörési feszültség feletti értékekre emeljük.

Holtidő az az időintervallum, amelyre az érzékelőnek szüksége van ahhoz, hogy visszaállítsa azt az állapotot, amelyben torzítás nélkül tudja rögzíteni az eseményeket. Ez idő alatt nem látja az incidens fotonokat. A holtidőnek az aktív kioltó áramkörhöz tartozó része az átvitt és a beeső fotonok arányaként definiálható.

Utóimpulzusok

A lavinafolyamat során egyes töltéseket csapdák foghatnak el. Felszabadulásukkor ezek a töltetek lavina kialakulásához vezethetnek. Ezeket a „hamis eseményeket” utóimpulzusoknak nevezzük. Az ilyen csapdába esett töltések élettartama néhány tized mikroszekundum nagyságrendű. Következésképpen az utóimpulzusok előfordulása valószínűbb közvetlenül a valódi foton impulzusa után.

A Thorlabs fotodetektorainak alapmodelljei

A táblázat a cég fotodetektorainak modelljeit mutatja be Thorlabs. Az ugyanabban a sorban található modellek ugyanazokkal a fényérzékeny elemekkel vannak felszerelve.

Működési hullámhossz tartomány	Anyag
					Kalibrált fotodióda b TO-46 ház Működési elv Az első kereskedelmi fénysokszorozók 1940-es bevezetése óta ez a fajta detektor továbbra is az egyik legnépszerűbb a gyors válaszidőt és nagy érzékenységet igénylő kísérleteknél. Napjainkban a fotosokszorozók nélkülözhetetlenek az analitikai kémia, részecskefizika, csillagászat, atom- és molekulafizika, valamint az orvostudomány és az ipari folyamatirányítás területén végzett kutatások során. A fotomultiplier csövek (PMT) érzékeny, nagy nyereségű detektorok, amelyek kimeneti árama arányos a beeső sugárzással. A fotosokszorozó egy üveg vákuumcsőből áll, amely egy fotokatódot (fotoemissziós anyag), 8-14 dinódát (másodlagos emisszió) és egy anódot (szekunder elektronok gyűjtője) tartalmaz. Ha egy kellően nagy energiájú (azaz a fotokatód anyagának elektronjainak kötési energiájánál nagyobb energiájú) foton a fotokatódra esik, az elnyelődik és egy elektron emittálódik (fotoelektromos hatás). Mivel az első dinódán a potenciál nagyobb, mint a katódon (potenciálkülönbség jön létre ezen elemek között), a felszabaduló elektron az elektromos térben felgyorsul és a dinód rendszerbe kerül, ahol a másodlagos (ütés) következtében elektronemisszió, elektronlavina jön létre, amely dinódról dinódára növekszik, és az anódhoz érkezik. Általános szabály, hogy minden dinóda potenciálja 100-200 V-tal nagyobb, mint az előző dinaódé. Az anódáram feszültséggé alakul úgy, hogy kis ellenállású terhelést kapcsolunk az anód és a test közötti áramkörbe. FEU és a cégtől Thorlabs használjon transzimpedancia-erősítőt (TIA) a lemezáram (nA vagy µA) feszültséggé (mV vagy V) átalakításához. Modulok , és nem tartalmaznak transzimpedancia-erősítőt. Például, ha a PMT 8 dinódából áll, amint az az ábrán látható. alatt, és minden elektron 4 szekunder elektron megjelenéséhez vezet, akkor a dinódarendszer után az áramerősség 4 8 ≈ 66 000 lesz. A megadott példában minden fotoelektron egy Q = 4 8 e töltésű lavina megjelenéséhez vezet, amely az anódra érkezik. A feszültségimpulzus V = Q/C = 4 8 e /C, ahol C az anódkapacitás. Ha a kapacitás 5 pF, akkor a kimeneti impulzusfeszültség 2,1 mV lesz. Spektrális érzékenység A PMT kiválasztásakor ügyelni kell a fotokatód anyagára, mert a spektrális érzékenység hosszúhullámú határát határozza meg. A rövid hullámhossz határát az ablak anyaga határozza meg. Manapság különféle típusú fotosokszorozókat gyártanak, amelyek az UV-től az IR-ig terjedő tartományban működnek, különböző fotokatód anyagok felhasználásával, amelyek mindegyike meghatározott spektrális tartományban működik. A kvantumhatékonyság (QE) egy %-ban kifejezett érték, amely a fotosokszorozó azon képességét jellemzi, hogy a beeső fotonokat elektronokká alakítja. Például a QE 20%. Ez azt jelenti, hogy a fotokatódon beeső 5 fotonból egy fotoelektronokat termel. Fotonszámlálási problémák esetén kívánatos egy nagy kvantumhatékonyságú fotosokszorozó. Mivel a QE a hullámhossztól függ, olyan PMT-t kell kiválasztani, amely maximális kvantumhatékonysággal rendelkezik a kívánt spektrális tartományban. Meg kell jegyezni, hogy a spektrum látható tartományához tartozó fotokatódok általában QE-vel rendelkeznek.<30%. A fotosokszorozó kvantumhatékonysága a következő képlettel számítható ki: ahol S az integrál érzékenység [A/W], λ a hullámhossz [nm]. PMT konfiguráció Két fő PMT konfiguráció áll rendelkezésre: a bejárati ablak a vákuumlombik végén vagy oldalfalán található. Abban az esetben, ha a bemeneti ablak a végén található, a PMT áttetsző fotokatódokkal van felszerelve, és nagy aktív tartomány terület, térbeli homogenitás és nagyobb teljesítmény jellemzi a spektrum kék és zöld tartományában. Ez a konfiguráció előnyös olyan alkalmazásokhoz, amelyek széles spektrális érzékenységet igényelnek, mint például a spektroszkópia. Az oldalablakos PMT-k átlátszatlan fotokatódokat használnak, ezt a konfigurációt leggyakrabban UV és IR alkalmazásokhoz használják. Az oldalablak konfiguráció olcsóbb, mint a végablak konfiguráció, és gyakran használják nagy kvantumhatékonyságot igénylő alkalmazásokhoz, például szcintillációs mérésekhez. 8-14 dinódát lineárisan vagy körben helyezünk el. Lineáris elrendezéssel (ahogyan az ábrán látható) a PMT gyors válaszidővel, nagy felbontással és linearitású. A dinódák körben helyezkednek el az oldalablakos PMT-kben és néhány végablakos PMT-ben, és a rendszer kompakt méretű és gyors válaszidővel rendelkezik. Nyereség A PMT-k egyedülállóak, mert képesek a nagyon gyenge jeleket a fotokatódról a kiolvasási zaj feletti érzékelhető szintre felerősíteni anélkül, hogy jelentős interferencia lépne fel. A dinódák felelősek a fénysokszorozóban lévő jel erősítéséért, az erősítés pedig az alkalmazott feszültségtől függ. A PMT a gyártó által ajánlottnál magasabb feszültségen is működhet, miközben a specifikációban meghatározottnál 10-100-szor nagyobb erősítést biztosít. Ebben az üzemmódban a fénysokszorozónak nincs negatív hatása, ha az anódáram a megengedett maximális értékek alatt van. Sötét áram Ideális PMT esetén a fotokatód által keltett összes jel a csőbe jutó fénynek köszönhető. A valódi PMT-k azonban áramot termelnek még beeső sugárzás hiányában is. A PMT által fény hiányában generált jelet sötét áramnak nevezzük. Ez a jel nagymértékben csökkenti a PMT jel-zaj arányát. A sötétáramot főként a fotokatódból és az első néhány dinódából származó elektronok termikus kibocsátása, illetve kisebb mértékben a kozmikus sugarak és sugárzás okozza. A spektrum vörös tartományában való alkalmazásokhoz tervezett fotosokszorozók magasabb sötétáram-értékekkel rendelkeznek, mint a többi fotosokszorozóé, mivel a fotokatódokban lévő elektronok alacsony kötési energiája van, amelyek érzékenyek a spektrum vörös tartományában. A hőkibocsátás a fotokatód hőmérsékletétől és a munkafunkciótól függ, ami azt jelenti, hogy a PMT hűtése jelentősen csökkentheti a sötétáramot. Termoelektromos hűtésű PMT-k használatakor kerülni kell a páralecsapódást a bemeneti ablakon, mivel a nedvesség csökkenti a fotokatódra eső fény mennyiségét. Ezenkívül kerülni kell a túlzott hűtést, mivel ez negatív következményekkel járhat: a jelszint vagy a feszültség csökkenése a katódon, mert A katódfilm ellenállása fordítottan arányos a hőmérséklettel. Rise Time A nagy időfelbontást igénylő kísérleteknél a felfutási időnek rövidnek kell lennie. Az anódáram impulzusának felfutási idejét leggyakrabban a PMT teljesítmény jellemzőjeként használják. Végső soron az impulzus felfutási idejét a különböző elektronok terjedési ideje határozza meg. Több okból is más. Először is, a szekunder elektronok kezdeti sebessége különbözik. mert a dinóda anyagában különböző mélységű helyekről kiütik. Egyes kilépő elektronok kezdeti energiája nem nulla, így rövidebb idő alatt érik el a következő dinódát. Az elektronok repülési ideje az úthossztól is függ. Mindezen hatások következtében az anódáram-impulzus felfutási ideje a feszültség növekedésével V -1/2-vel csökken. Egyéb tényezők Ha PMT-kkel dolgozik, gondosan ki kell választania a használni kívánt elektronikát. A katód és az anód között alkalmazott nagy feszültség kis ingadozása is nagymértékben befolyásolhatja a kimeneti jelet. Ezenkívül a környezeti feltételek is befolyásolhatják a PMT-k teljesítményét. A hőmérséklet és a páratartalom változása, valamint a vibráció negatívan befolyásolja a PMT teljesítményét. A PMT háza szintén nagy jelentőséggel bír, nem csak az idegen fénytől védi a csövet, hanem csökkenti a külső mágneses mezők hatását is. A több gauss mágneses indukciójú mező csökkentheti az erősítést. Ez elkerülhető nagy mágneses permeabilitású anyagból készült mágneses árnyékoló használatával.

A fotodióda egy félvezető fotovoltaikus eszköz, amely a belső fotoelektromos hatást használja. A fotodióda felépítése hasonló a hagyományos síkdiódáéhoz. A különbség az, hogy p–n csomópontjának egyik oldala az üvegablak felé néz, amelyen keresztül bejut a fény, a másik oldalon pedig fénytől védett. A fotodiódák két üzemmód egyikében működhetnek:

– külső elektromos energiaforrás nélkül (szelep vagy fotogenerátor, fotovoltaikus üzemmód);

– külső elektromos energiaforrással (fotodióda vagy fotokonverziós mód).

Tekintsük a fotodióda működését szelep üzemmódban a 8.7.

8.7. ábra. Kapu üzemmódban történő működéshez szükséges fotodióda csatlakoztatásának kapcsolási rajza

Fényáram hiányában a p–n csomópont határán érintkezési potenciálkülönbség jön létre. Az átmeneten keresztül két áram folyik egymás felé - I dr és I diff, amelyek kiegyenlítik egymást. Amikor a p–n átmenet meg van világítva, a fotonok a félvezető vastagságába jutva energiát adnak a vegyértékelektronok egy részének, amely elegendő a vezetési sávba való átmenethez, pl. A belső fotoelektromos hatás miatt további elektron-lyuk párok jönnek létre. A p–n átmenet kontaktpotenciál különbségének hatására az n-régió kisebbségi töltéshordozói - lyukak - a p-régióba, a p-régió kisebbségi töltéshordozói - elektronok - az n-be költöznek. -régió. A drift-áram további növekményt kap, úgynevezett fotoáramot. A kisebbségi hordozók sodródása a p-régióban felesleges lyukak, az n-régióban pedig elektronok felhalmozódásához vezet, ami potenciálkülönbség kialakulásához vezet a fotodióda kivezetésein. amikor a külső áramkör nyitott, az úgynevezett foto-EMF Potenciális átmeneti gát, mint az egyenfeszültségnél, a foto-EMF mennyiségével csökken, amelyet U xx nyitott áramköri feszültségnek neveznek, ha a külső áramkör nyitva van. A potenciálgát csökkentése növeli a többségi hordozók diffúziós áramát DI diff a csomóponton keresztül. A fotoáram felé irányul. Mivel a kapcsoló nyitva van, az áramok termodinamikai egyensúlya jön létre a szerkezetben:

A foto-emf értéke nem haladhatja meg a p–n átmenet érintkezési potenciálkülönbségét. Ellenkező esetben a csomópontban a teljes térkompenzáció miatt az optikailag generált vivők szétválasztása leáll. Így például a szelén és szilícium fotodiódáknál a foto-emf eléri a 0,5...0,6 V-ot, a gallium-arzenidből készült fotodiódáknál a 0,87 V-ot.

Amikor terhelést csatlakoztatunk egy megvilágított fotodiódához (a kulcs zárva van), a kisebbségi hordozók sodródása miatt áram jelenik meg az elektromos áramkörben. Az áram értéke a foto-EMF-től és a terhelési ellenállástól függ, a maximális áram ugyanazon fotodióda megvilágításnál akkor lesz, amikor az ellenállás ellenállása nulla, azaz. amikor a fotodióda rövidre van zárva. Ha az ellenállás ellenállása nem nulla, a fotodióda külső áramkörében az áram csökken.

A fotodiódán átfolyó áram a következőképpen írható fel:

ahol I f – fotoáram;

I 0 – a p–n átmenet termikus árama;

U a diódán lévő feszültség.

Nyitott külső áramkörrel (R n =¥, I f összesen =0) könnyen kifejezhető az üresjárati átmenet feszültsége, amely egyenlő a foto-EMF-el:

A fotogenerátor üzemmódban működő fotodiódákat gyakran használják áramforrásként, amelyek a napsugárzás energiáját elektromos energiává alakítják.

A fotodióda vagy fotokonverziós üzemmódban egy külső energiaforrást kapcsolunk sorba a fotodiódával, ezzel ellentétes irányba előfeszítve a diódát (5.12. ábra).

8.8. ábra. Fotodióda csatlakozó áramkör fotodióda üzemmódban történő működéshez

Fényáram hiányában és fordított feszültség hatására a szokásos kezdeti fordított áram I o, amelyet sötétnek nevezünk, átfolyik a fotodiódán. A sötétáram korlátozza a fényáram minimális értékét. Amikor egy fotodiódát megvilágítanak, a fénykvantumok emellett eltávolítják az elektronokat a félvezető vegyértékkötéseiből, ezáltal növelve a kisebbségi töltéshordozók áramlását a p–n átmeneten. Minél nagyobb a fotodiódára eső fényáram, annál nagyobb a kisebbségi töltéshordozók koncentrációja a gátréteg közelében, és annál nagyobb a külső forrás feszültsége és a fényáram által meghatározott fotoáram a diódán keresztül.

Helyesen kiválasztott Rn terhelési ellenállás és tápfeszültség esetén ez az áramerősség csak a készülék megvilágításától függ, és az ellenálláson bekövetkező feszültségesés hasznos jelnek tekinthető.

A fotodióda módot nagy érzékenység, nagy dinamikatartományú optikai sugárzás konverzió és nagy teljesítmény jellemzi (a p–n átmenet gátkapacitása csökken). A fotodióda üzemmód hátránya a nagy sötét áram, ami a hőmérséklettől függ.

5.9. A fotodióda jellemzői és paraméterei

A fotodiódát az ábrán látható áram-feszültség, energia (fény), spektrális és frekvencia karakterisztika írja le. 8,9, 8,10.

Ha egy nem világító fotodiódához feszültségforrást csatlakoztatunk, amelynek értéke és polaritása változtatható, akkor a kapott áram-feszültség karakterisztika ugyanolyan alakú lesz, mint egy hagyományos félvezető diódáé (8.9a. ábra). A fotodióda megvilágítása esetén az áram-feszültség karakterisztikának csak a fordított ága változik jelentősen, míg az előre ágak viszonylag alacsony feszültségnél gyakorlatilag egybeesnek.

8.9. ábra. Kapu üzemmódban történő működéshez szükséges fotodióda csatlakoztatásának kapcsolási rajza

A III. kvadránsban a fotodióda fotodióda üzemmódban, a IV. kvadránsban pedig fotoszelepes üzemmódban működik, és a fotocella elektromos energiaforrássá válik. Az I. kvadráns a fotodióda nem működő tartománya ebben a kvadránsban a p–n átmenet előre torzított.

A fotodióda energiakarakterisztikája a fotoáramot a fotodiódára eső fényárammal köti össze. 8.9, b. Amikor a fotodióda szelep üzemmódban működik, a spektrális jellemzők jelentősen függenek a külső áramkörben lévő ellenállás ellenállásától. A terhelési ellenállás növekedésével a karakterisztikák egyre jobban torzulnak, és nagy ellenállásoknál kifejezett telítési tartományuk van. Amikor a fotodióda fotodióda üzemmódban működik, az energiajellemzők lineárisak, azaz. Szinte minden fotohordozó eléri a p–n csomópontot és részt vesz a fotoáram kialakulásában.

A fotodióda spektrális jellemzői hasonlóak a fotoellenállások megfelelő jellemzőihez, és függenek a fotodióda anyagától és a szennyeződések mennyiségétől (8.10a. ábra).

8.10. ábra. A fotodióda spektrális (a) és frekvenciaválasza

A szelén fotodiódák spektrális jellemzői hasonló alakúak, mint az emberi szem érzékenységének spektrális függősége. A germánium és a szilícium fotodiódák érzékenyek a sugárzási spektrum látható és infravörös részén egyaránt.

A frekvenciamenet az integrál érzékenység változását mutatja, ha a fényáram fényereje különböző modulációs frekvenciákkal változik (8.1,b ábra). A fotodióda teljesítményét egy vágási frekvencia jellemzi, amelynél az integrál érzékenység az alacsony frekvenciájú értékének a szorzójával csökken.

Az érzékenység és a sebesség növelésére a következő fotodiódákat fejlesztették ki: beépített elektromos mezővel; p–i–n szerkezetű fotodiódák; Schottky-sorompóval; lavina fotodiódák.

A beépített elektromos térrel rendelkező fotodiódák egyenetlenül adalékolt alappal rendelkeznek, amely belső elektromos mezőt hoz létre, amely felgyorsítja a kisebbségi töltéshordozók mozgását.

A p–i–n szerkezetű fotodiódák a többségi hordozók kimerült tartományának vastagsága 10 6 ...10 7-szer nagyobb, mint az n- és p-típusú adalékolt régióké; . A csomópontra nagy fordított feszültségek kapcsolhatók, és az i-régióban egységes elektromos tér jön létre. A beeső fénysugárzást az erős elektromos mezővel rendelkező i-régió nyeli el, ami hozzájárul a hordozók gyors sodródásához a megfelelő régiókba.

A Schottky-gáttal ellátott fotodiódák nagy teljesítményt érnek el a minimális alapellenállás és a felesleges töltések felhalmozódási és reszorpciós folyamatainak hiánya miatt. A lavina fotodiódákban a vivők lavinaszaporodása a p–n átmenetben történik, és ennek köszönhetően az érzékenység meredeken megnő, működési sebességük f gr = 10 11 ... 10 12 Hz. Ezeket a diódákat az optoelektronika egyik ígéretes elemének tartják.

A fotodióda paraméterei a következők:

1. Sötétáram I T - a diódán átfolyó kezdeti fordított áram külső előfeszítés és fénysugárzás hiányában (10...20 µA germánium és 1...2 µA szilícium diódák esetén).

2. Üzemi feszültség U p – fotodióda üzemmódban a fotodiódára adott névleges feszültség (U p =10...30 V).

3. Az S int integrál érzékenység azt mutatja meg, hogy a fényáram hogyan változik a fényáram egyetlen változásával:

4. Vágási frekvencia f gr – az a frekvencia, amelynél az integrál érzékenység egy faktorral (10 7 ... 10 12 Hz) csökken.

A fotodióda fő jellemzői: áram-feszültség karakterisztika, fény és spektrális.

Áram-feszültség karakterisztika. Általános esetben (bármilyen U polaritás esetén) a fotodióda áramát az (1) kifejezés írja le. Ez a kifejezés az I f fotodióda áramának az U fotodiódán lévő feszültségtől való függését jelenti a Ф sugárzási fluxus különböző értékeinél, pl. a fotodióda áram-feszültség jellemzőinek családjának egyenlete. Az áram-feszültség karakterisztikát ábrázoló grafikonok az ábrán láthatók. 1.7 .

Rizs. 1.7 A fotodióda IV karakterisztikája.

A fotodióda áram-feszültség jellemzőinek családja az I., III. és IV. kvadránsban található. Az I. kvadráns a fotodióda nem működő tartománya: ebben a kvadránsban egyenfeszültség kerül a p-n átmenetre, és az áram diffúziós összetevője teljesen elnyomja a fotoáramot (I p - n >> I f). A diódával történő fotovezérlés lehetetlenné válik.

A III. kvadráns a fotodióda fotodióda tartománya. A p-n átmenetre fordított feszültség kerül. Hangsúlyozni kell, hogy a fordított feszültségek működési tartományában a fényáram gyakorlatilag független a fordított feszültségtől és a terhelési ellenállástól. Az R terhelőellenállás áram-feszültség karakterisztikája egy egyenes, melynek egyenlete:

E arr - I f · R = U,

ahol U arr a fordított feszültségforrás feszültsége; U – fordított feszültség a fotodiódán; I f – fotoáram (terhelési áram).

A fotodióda és a terhelési fotoellenállás sorba van kötve, azaz. ugyanaz az I f áram folyik át rajtuk. Ez az I f áram meghatározható a fotodióda és a terhelési ellenállás áram-feszültség karakterisztikájának metszéspontjával (1.7. ábra III. kvadráns Így a fotodióda üzemmódban adott sugárzási fluxus esetén a fotodióda a forrása). áram I f a külső áramkörhöz viszonyítva. Az I f áram értéke gyakorlatilag nem függ a külső áramkör paramétereitől (U arr, R) (1.7. ábra).

A fotodióda áram-feszültség jellemzői családjának IV. kvadránsa megfelel a fotodióda fotovoltaikus üzemmódjának. Az áram-feszültség karakterisztikák és a feszültségtengely metszéspontjai megfelelnek a foto-EMF E f vagy az U xx (R n = ∞) nyitott feszültség értékeinek különböző F áramlásoknál. A szilícium fotodiódák esetében a fotó -EMF 0,5-0,55 V. Metszéspontok A Volt-amper karakterisztikája az áram tengellyel megfelel a rövidzárlati áramok értékeinek I rövidzárlat (R n = 0). A terhelési ellenállás köztes értékeit a terhelési vonalak határozzák meg, amelyekhez különböző jelentések R n különböző szögekben hagyja el az origót. Adott áramértéknél a fotodióda áram-feszültség karakterisztikája szerint kiválasztható a fotodióda optimális működési módja fotovoltaikus üzemmódban (1.8. ábra). Optimális üzemmódban be ebben az esetben megérteni egy olyan terhelési ellenállás kiválasztását, amelynél a legnagyobb elektromos teljesítményt továbbítják R n-re.

1.8. A fotodióda IV karakterisztikája fotovoltaikus üzemmódban.

Az F1 áramlás optimális módja az R1 terhelési vonalnak felel meg (az árnyékolt téglalap területe az A pont csúcsával, ahol az F1 és R1 vonalak metszik egymást, a legnagyobb lesz - 1.8. ábra). A szilícium fotodiódáknál optimális terhelés mellett a fotodiódán lévő feszültség U=0,35-0,4 V.

A fotodióda fény (energia) jellemzői– ez az áram függősége a fényáramtól I = f(F):

Rizs. 1.9. Fényjellemző FD.

Fotodióda üzemmódban a sugárzási fluxusok működési tartományában az energiakarakterisztika lineáris.

Ez arra utal, hogy szinte minden fotohordozó eléri a pn átmenetet és részt vesz a fotoáram kialakításában, a kisebbségi hordozók rekombináció miatti elvesztése nem függ a sugárzási fluxustól.

A fotovoltaikus üzemmódban az energiajellemzőket az I kz rövidzárlati áram vagy a foto-EMF E f F sugárzási fluxustól való függése reprezentálja. Nagy F fluxus esetén ezeknek a függőségeknek a változási törvénye jelentősen eltér a lineáristól (2. 1.10).

Fotodióda mód

1.10. ábra A PD fénykarakterisztikája

Az Ic = f(F) függvény esetében a nemlinearitás megjelenése a félvezető alap térfogatellenállásán keresztüli feszültségesés növekedésével jár. A foto-emf csökkenését a potenciálgát magasságának csökkenése magyarázza az elektronok többlettöltésének felhalmozódásával az n-régióban és a p-régióban lévő lyukakkal.

A dióda üzemmódnak a következő előnyei vannak a generátor üzemmóddal szemben:

· a kimeneti áram fotodióda üzemmódban nem függ a terhelési ellenállástól generátor üzemmódban, a maximális bemeneti áram csak a terhelés rövidzárlatával érhető el.

· A fotodióda üzemmódot nagy érzékenység, nagy dinamikatartományú optikai sugárzás konverzió, nagy teljesítmény (korlát) jellemzi kapacitás p-n az átmenet csökken).

A fotodióda üzemmód hátránya a sötét áramtól való függés (fordított jelenlegi p-nátmenet) a hőmérsékleten.

A fő paraméterek a következők:

· sötétáram I t.

· üzemi feszültség U slave – a diódára adott feszültség fotokonverziós módban.

· Integrális érzékenység K f.