Поняття і пристрій фотодіода
Фотодіод, напівпровідниковий діод, що володіє властивістю односторонньої фотопровідності при впливі на нього оптичного випромінювання. Ф. є напівпровідниковий кристал зазвичай з електронно-дірковий переходом (р-n-переходом), забезпечений 2 металевими виводами (один від р-, інший від n-області) і вмонтований в металевий або пластмасовий захисний корпус. Матеріалами, з яких виконують Ф. служать Ge, Si, GaAs, HgCdTe і ін.
Розрізняють 2 режими роботи Ф. фотодіодний, коли в зовнішньому ланцюзі Ф. міститься джерело постійного струму, що створює на р-n-переході зворотний зсув, і вентильний, коли такий джерело відсутнє. У фотодіодному режимі Ф. як і фоторезистор, використовують для управління електричним струмом в ланцюзі Ф. відповідно до зміни інтенсивності падаючого випромінювання. Що виникають під дією випромінювання неосновні носії дифундують через р-n-перехід і послаблюють електричне поле останнього. Фотострум в Ф. в широких межах лінійно залежить від інтенсивності падаючого випромінювання і практично не залежить від напруги зсуву. У вентильному режимі Ф. як і напівпровідниковий фотоелемент, використовують як генератор фотоерс.
Основні параметри Ф. 1) поріг чутливості (величина мінімального сигналу, реєстрованого Ф. віднесена до одиниці смуги робочих частот), досягає 10-14 Вт / Гц1 / 2; 2) рівень шумів - не більше 10-9 а; 3) область спектральної чутливості лежить в межах 0,3-15 мкм; 4) спектральна чутливість (відношення фотоструму до потоку падаючого монохроматичного випромінювання з відомою довжиною хвилі) становить 0,5-1 а / вт; 5) інерційність (час встановлення фотоструму) порядку 10-7-10-8 сек. У лавинному Ф. представляє собою різновид Ф. з р-n-Cтруктура, для збільшення чутливості використовують т. Н. лавинне множення струму в р-n-переході, засноване на ударній іонізації атомів в області переходу фотоелектронами. При цьому коефіцієнт лавинного множення становить 102-104. Існують також Ф. з р-i-n-Cтруктура, близькі за своїми характеристиками до Ф. з р-n-Cтруктура; в порівнянні з останніми вони мають значно меншу інерційність (до 10-10 сек).
Ф. знаходять застосування в пристроях автоматики, лазерної техніки, обчислювальної техніки, вимірювальної техніки і т.п.
Фотодіод може працювати в фотодіодному і гальванічному режимі.
У фотодіодному режимі p-n перехід зміщується зворотною напругою величина якого залежить від конкретного фотодіода від одиниць до сотні вольт, чим більше зміщення тим швидше він буде працювати, і більше струми через нього будуть текти.
Недолік фотодіодного режиму в тому, що зі зростанням зворотного потоку, надалі збільшення напруги або освітлення, збільшується рівень шумів, а рівень корисного сигналу в цілому залишається постійним, вважається, що в цьому режимі діод має меншу постійну часу.
У фотогальванічної режимі до діода не докладає ні яка напруга, він сам стає джерелом ЕРС з великим внутрішнім опором.
Недолік фотогальванічного режиму полягає в ослабленні корисного сигналу з ростом рівня паразитного засвічення але рівень шумів не росте, залишається постійним.
Фотодіодних схема включення.
Наведена схема включення фотодіода є універсальною і підходить для тестування і вибору, стосовно остаточної схемою своєї конструкції.
Змінюючи положення підлаштування резистора, в наведеній схемі, можна протестувати і вибрати оптимальний режим роботи фотодіода.
Змінюючи опір резистора від мінімального до максимального, можна підібрати найкращий режим зсуву на фотодіоді.
Вивернувши резистор на мінімум, замкнувши рухливий контакт на землю, ми переведемо схему в фотогальванічний режим.
Можна спробувати роботу фотодіода і в прямому зміщенні (він все одно буде реагувати на світло), для цього треба поміняти схему включення, перевернувши діод.
Опір в 50 Ком, не повинно дати пошкодити фотодіод, а по змінної складової воно виявляється включеним паралельно з навантаженням (менше 5 КОМ), і корисний сигнал практично не послаблює. Конденсатор позбавляє нас від постійної складової. Якщо ми приймаємо імпульсний сигнал то від постійної складової, яка змінюється в залежності від фонової засвітки, краще позбутися відразу, сенсу її посилювати немає.
Ще одна стандартна схема включення фотодіода показана на малюнку.
В даній установці для зменшення впливу шумів і наведень в схему додані буферні конденсатори в ланцюзі харчування, накопичувальний конденсатор С3 і інтегруюча ланцюжок R2С4 на виході.
C1- електролітичний конденсатор великої ємності С = 100 мкФ, С2 - швидкий керамічний 0,1 мкФ, С3, С4 - керамічні по 100 пФ, R1 - 8 кОм, R2- 5,6 кОм.
Навантаженням для досягнення максимальної швидкодії повинен бути або каскад із загальною базою або швидкодіючий операціоннік включений за схемою перетворювача струм-напруга. Ці підсилювачі мають мінімальне вхідний опір.