Principio de funcionamiento del fotodiodo (fotodiodo) y cálculo del voltaje de salida
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Foto-diodo (foto-diodo) es un dispositivo semiconductor compuesto por una unión PN con conductividad unidireccional. El fotodiodo trabaja bajo la acción de voltaje inverso, bajo la luz de la iluminancia general, la corriente generada se llama fotocorriente. Si una carga está conectada al circuito externo, se obtiene una señal eléctrica en la carga, y esta señal eléctrica cambia en consecuencia con el cambio de luz.
Voltaje de salida = señal óptica de entrada × respuesta × carga de 50 Ω
El fotodiodo de unión es un dispositivo básico que funciona de manera similar a un diodo de señal ordinario, pero cuando se absorbe luz en la región de agotamiento del semiconductor de unión, se genera una fotocorriente. El fotodiodo es un dispositivo rápido y de alta linealidad con alta eficiencia cuántica en aplicaciones y es adecuado para una variedad de aplicaciones.
Es necesario determinar el nivel de corriente de salida deseado y la capacidad de respuesta en función de la luz incidente. La Figura 1 muestra un modelo de fotodiodo de unión, que se compone de componentes básicos independientes, de modo que es fácil comprender intuitivamente las propiedades principales del fotodiodo y comprender mejor el proceso de trabajo del fotodiodo de Thorlabs.
Figura 1: Modelo de fotodiodo
Términos relacionados
con la capacidad de respuesta de los
fotodiodos La capacidad de respuesta de un fotodiodo se puede definir como la relación entre la fotocorriente (IPD) generada y la potencia de la luz incidente (P) a una longitud de onda determinada:
Modos de trabajo (modo fotoconductor y modo fotovoltaico) El
fotodiodo tiene dos modos de trabajo: modo fotoconductor (polarización inversa) o modo fotovoltaico (polarización cero). La elección del modo de trabajo depende de la velocidad en la aplicación y la corriente oscura aceptable (corriente de fuga).
Modo de guía
de luz En el modo de guía de luz, se aplica un voltaje de polarización, que es la base de nuestros detectores de la serie DET. La corriente medida en el circuito representa la luz recibida por el dispositivo; la corriente de salida medida es proporcional a la potencia óptica de entrada. El voltaje de polarización aplicado aumenta el ancho de la región de agotamiento, la capacidad de respuesta aumenta, la capacitancia de la unión disminuye y la capacidad de respuesta tiende a ser recta. Trabajar en estas condiciones tiende a producir una corriente oscura más grande, pero el material del fotodiodo se puede seleccionar para limitar su tamaño. (Nota: nuestros dispositivos DET tienen polarización inversa y no pueden funcionar con polarización directa).
Modo
fotovoltaico En el modo fotovoltaico, el fotodiodo tiene polarización cero. El flujo de corriente del dispositivo está restringido, formando un voltaje. Este modo de trabajo aprovecha el efecto fotovoltaico, que es la base de las células solares. Cuando se trabaja en modo fotovoltaico, la corriente oscura es mínima.
Corriente oscura La corriente
oscura es la corriente de fuga cuando el fotodiodo está polarizado. Cuando se trabaja en el modo de guía de luz, es probable que aparezca una corriente oscura más alta y está directamente relacionada con la temperatura. Por cada 10 ° C de aumento de temperatura, la corriente oscura casi se duplica, y cada 6 ° C de aumento de temperatura, la resistencia de derivación se duplica. Obviamente, la aplicación de un voltaje de polarización mayor reducirá la capacitancia de la unión, pero también aumentará la corriente oscura actual.
La corriente oscura actual también se ve afectada por el tamaño del material del fotodiodo y el área activa. La corriente oscura de los dispositivos de germanio es grande y la corriente oscura de los dispositivos de silicio suele ser menor que la de los dispositivos de germanio. La siguiente tabla muestra varios materiales fotodiodos y su corriente oscura, velocidad, banda de respuesta y precio relacionados.
Material Corriente oscura Velocidad Rango espectral Costo
Silicio (Si) Baja Alta velocidad Visible a NIR Bajo
Germanio (Ge) Alta Baja velocidad NIR Bajo
Fosfuro de galio (GaP) Baja Alta velocidad UV a visible Moderado
Arseniuro de galio indio (InGaAs) Baja Velocidad alta NIR
Antimonuro de arseniuro de indio moderado (InAsSb) Alta Baja velocidad el NIR al MIR Alto
extendido el rango Arseniuro de indio y galio (InGaAs) Alta velocidad alta NIR Alto
mercurio incluye telururo de cadmio (MCT, de HgCdTe) Alta Baja Velocidad del NIR al MIR Alta
capacitancia de unión de la capacitancia de
unión (Cj de) fotoeléctrica Una propiedad importante del diodo tiene una gran influencia en el ancho de banda y la respuesta del fotodiodo. Cabe señalar que un diodo con un área de unión más grande también tiene un volumen de unión más grande y una capacitancia de carga más grande. En aplicaciones de polarización inversa, el aumento en el ancho de la región de agotamiento de la unión reducirá efectivamente la capacitancia de la unión y aumentará la velocidad de respuesta.
Ancho de banda y respuesta La
resistencia de carga y la capacitancia del fotodiodo juntas limitan el ancho de banda. Para obtener la mejor respuesta de frecuencia, una terminación de 50 Ω requiere un cable coaxial de 50 Ω. El ancho de banda (fBW) y la respuesta del tiempo de subida (tr) se pueden aproximar mediante la capacitancia de unión (Cj) y la resistencia de carga (Rload):
Potencia equivalente al
ruido La potencia equivalente al ruido (NEP) es el voltaje de señal RMS generado cuando la relación señal / ruido es igual a uno. Es un parámetro muy útil porque NEP determina la capacidad del detector para detectar luz débil. En términos generales, la NEP aumenta con el área activa del detector y se puede expresar mediante la siguiente fórmula:
Aquí, S / N es la relación señal / ruido, Δf es el ancho de banda de ruido y la unidad de energía incidente es W / cm2
Resistencia terminal
Utilice la resistencia de carga para convertir la fotocorriente en voltaje (VOUT) para mostrar en el osciloscopio:
Dependiendo del tipo de fotodiodo, la resistencia de carga afecta su velocidad de respuesta. Para lograr el ancho de banda máximo, recomendamos usar una resistencia de terminación de 50 ohmios en el otro extremo del cable coaxial. Hacerlo coincidir con la impedancia intrínseca del cable minimizará la resonancia. Si el ancho de banda no es importante, puede aumentar la resistencia de carga (Rload) para aumentar el fotovoltaje a una potencia óptica determinada. Cuando los terminales no coinciden, la longitud del cable tiene una gran influencia en la respuesta, por lo que recomendamos hacer el cable lo más corto posible.
Resistencia en
derivación La resistencia en derivación representa la resistencia de unión del fotodiodo bajo polarización cero. La resistencia de derivación del fotodiodo ideal es infinita, pero el valor real puede variar de diez ohmios a varios gigaohmios, según el material. Por ejemplo, la resistencia en derivación de los detectores de InGaAs es del orden de 10 megaohmios, mientras que la resistencia en derivación de los detectores de Ge es del orden de kiloohmios. Esto afectará significativamente la corriente de ruido del fotodiodo. Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones, las resistencias grandes casi no tienen efecto y, por lo tanto, pueden ignorarse.
Resistencia en serie La resistencia en
serie es la resistencia del material semiconductor. Esta pequeña resistencia generalmente se puede ignorar. La resistencia en serie proviene de los contactos y conexiones de cables del fotodiodo, y generalmente se usa para determinar la linealidad del diodo bajo polarización cero.
Circuito de trabajo general
No se pudo exportar, se canceló la nueva carga.
Figura 2: Circuito de polarización inversa (detector de la serie DET)
Los detectores de la serie DET tienen el circuito modular que se muestra arriba. El detector tiene polarización inversa para producir una respuesta lineal a la luz de entrada. El tamaño de la fotocorriente está relacionado con el tamaño y la longitud de onda de la luz incidente, y el osciloscopio puede mostrar una resistencia de carga en la salida. La función del circuito de filtro RC es filtrar el ruido de alta frecuencia de la fuente de alimentación de entrada, lo que afectará el ruido en el extremo de salida.
Figura 3: Circuito detector amplificado
También es posible utilizar un fotodetector y un amplificador para lograr la alta ganancia requerida. Los usuarios pueden optar por trabajar en modo de guía de luz y modo fotovoltaico. Hay varias ventajas de utilizar este circuito activo:
Modo fotovoltaico: dado que el potencial del punto A y el punto B del amplificador operacional son iguales, la diferencia de potencial entre los dos extremos del fotodiodo es cero voltios. Esto minimiza la posibilidad de corriente oscura.
Modo de guía de luz: el diodo tiene polarización inversa, lo que aumenta el ancho de banda y reduce la capacitancia de la unión. La ganancia del detector está relacionada con el elemento de retroalimentación (Rf). El ancho de banda del detector se puede calcular mediante la siguiente fórmula:
Donde GBP es el producto de ancho de banda de ganancia del amplificador y CD es la suma de la capacitancia de unión y la capacitancia del amplificador.
Efecto de la frecuencia de corte La
señal del fotoconductor permanecerá sin cambios hasta el límite de respuesta constante de tiempo. Muchos detectores (incluidos los detectores PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) e InAsSb) tienen un espectro de ruido típico de 1 / f (es decir, el ruido disminuye a medida que aumenta la frecuencia de corte), lo que afecta la constante de tiempo a bajas frecuencias Tiene un mayor impacto .
El detector mostrará una menor capacidad de respuesta a bajas frecuencias de corte. La respuesta de frecuencia y la tasa de detección se maximizan para
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