Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Фотодиоды с р- n – переходом и с р-i-n – переходом.

Фотодиоды с барьером Шоттки, лавинные фотодиоды. 

Конструкции фотодиодов и схемы включения.

Применение фотодиодов.

Измерительные преобразователи на основе фотодиодов включают фотодиод и цепь нагрузки (пассивную или активную) и предназначены для выработки сигнала измерительной информации в форме электрического сигнала.

Измерительные преобразователи могут работать в режиме непосредственного отсчета, когда выходной электрический сигнал в каждый момент времени пропорционален интенсивности падающего на фотодиод излучения (т.е. это преобразователи мгновенного действия), и в режиме с накоплением заряда, когда выходной сигнал пропорционален заряду, накапливаемому собственной ёмкостью фотодиода (или подключённой параллельно фотодиоду) за некоторое время накопления.

Для измерительных преобразователей с накоплением заряда характерно наличие устройства коммутации, периодически подключающего накопительную емкость к источнику внешнего смещения или разряжающего до её исходного состояния.

Кроме названных преобразователей можно выделить так называемые трансимпедансные преобразователи на основе пары фотодиод — операционный усилитель (ОУ). Под трансимпедансом в данном случае понимается передаточное сопротивление пары фотодиод-ОУ, т.е. коэффициент преобразования фототока в напряжение на выходе ОУ.

Измерительные преобразователи мгновенного действия. Так как в вентильном режиме ток фотодиода пропорционален мощности излучения лишь при малых сопротивлениях нагрузки, то в измерительных преобразователях мгновенного действия используется включение фотодиода с внешним источником смещения (рис. 1).

Напряжение на нагрузке фотодиода в этом случае

 

Рис. 1. Схема измерительного преобразователя с внешним источником смещения

 

  (1)

где S -токовая чувствительность фотодиода на длине волны λ , Р-мощность излучения, Is-ток смещения (темновой ток).

При измерении энергетических параметров непрерывного излучения преобразователь будет обладать систематической погрешностью из-за прохождения через нагрузку темнового тока и случайной погрешностью, обусловленной флуктуациями темнового тока при изменениях температуры окружающей среды. Систематическую погрешность можно устранить введением компенсирующего источника тока. Для уменьшения случайной составляющей погрешности ток компенсирующего источника должен меняться по тому же закону, что и темновой ток фотодиода. На рис.2, приведены различные схемы компенсации темнового тока.

Для исключения влияния темнового тока применяется также пространственная модуляция потока излучения. Например, верхняя граница линейного динамического диапазона преобразователя мгновенного действия определяется напряжением смещения и сопротивлением нагрузки и для кремниевого фотодиода ФД-7К составляет 10-2 Вт при RH=500 Ом и Есм=30 В. Нижняя граница динамического диапазона определяется шумами фотодиода вида 1/f. Для реализации пороговой чувствительности необходимо увеличивать сопротивление нагрузки и осуществлять перенос спектра сигнала в более высокочастотную область путем модуляции.

 

 

Рис. 2. Схемы компенсации темнового тока:

 

а- термозависимая с пассивным делителем; б - термозависимая с дополнительным затемненным фотодиодом; в- мостовая

 

При воздействии импульсного излучения на фотодиод выражение (1) справедливо при выполнении условия и>, где и – длительность импульса излучения, а  - постоянная времени фотодиода. Если и<< , то отклик фотодиода (напряжение на собственной емкости фотодиода Uф) будет пропорционален энергии импульса излучения W:

 (2)

где q-заряд, накапливаемый на емкости фотодиода Сд.

Таким образом, интегрирование фототока iф(t) осуществляется собственной емкостью фотодиода, значение которой согласно (2) пропорционально напряжению смещения в степени минус 1/2. Изменение напряжения смещения на фотодиоде вследствие изменения заряда на емкости Сд при интегрировании импульса фототока, а также вследствие изменения интенсивности фоновой засветки приводит к появлению существенной динамической погрешности. Для уменьшения влияния этой погрешности параллельно фотодиоду подключают емкостную нагрузку (рис.3).

 

Рис. 3. Схема интегрирующего преобразователя (а) и его эквивалентная схема

 

С учетом эквивалентной схемы амплитуда импульса на суммарной емкости С=Сд+Сн

,

где S /(Сд +Сн)- коэффициент преобразования энергии импульса излучения.

Для исключения влияния нестабильности собственной емкости фотодиода на точность измерений необходимо выполнять условие Сн>>Сд, но при этом уменьшается коэффициент преобразования из-за увеличения времени разряда суммарной емкости через RH.

При невыполнении условия э>>и и начинается сказываться баллистическая погрешность обусловленная неидеальностью интегрирования. Здесь э=RнRд(Сн+Сд)(Rн+Rд)-1 – постоянная времени эквивалентной цепи нагрузки. Баллистическая погрешность превышает 0,01 при э³50и. Максимальная энергия импульса излучения, измеряемая фотодиодом в схеме интегрирующего преобразователя в пределах линейной аппроксимации его ватт-амперной характеристики,

 

  (3)

 

где А — нормированная площадь импульса, равная отношению энергии импульса излучения к его пиковой мощности.

 

 

Рис. 4. Зависимость максимальной энергии импульса излучения от суммарной емкости

 

Рис. 5. Схема измерительного преобразователя на основе пары фотодиод — операционный усилитель

 

Из выражения (3) следует, что значение Wmax возрастает при увеличении Сн. Реальное значение Wmax ограничивается сопротивлением растекания носителей в базовом слое Rб и сопротивлением толщи полупроводника, которые в данном случае не учитывались. На рис.4 приведена зависимость максимальной энергии импульса излучения от суммарной емкости при различных напряжениях смещения фотодиода.

 

Измерительные преобразователи на основе пары фотодиод — операционный усилитель. В технике измерения малых токов высокоомных источников используется принцип измерения падения напряжения на образцовом сопротивлении, охваченной параллельной отрицательной обратной связью по напряжению. При этом к усилителю предъявляются требования наличия высокого входного сопротивления и большого коэффициента усиления при малых уровнях шумов. Успехи микроэлектроники позволили создать интегральные операционные усилители (ОУ), обладающие симметричным входом, высоким коэффициентом усиления, высокой надежностью, которые оказались чрезвычайно удобными для создания преобразователей, включающих полупроводниковые фотодиоды, и ОУ с входными каскадами на полевых транзисторах. Использование во входном каскаде ОУ полевых транзисторов обеспечивает низкие значения шумовых входных токов, ЭДС и токов смещения усилителя. ЭДС смещения усилителя в рабочем диапазоне температур также оказывается меньшей из-за дифференциальной схемы входного каскада. При этом фотодиод работает как генератор тока, а ОУ служит преобразователем этого тока в напряжение (рис.5).

Если операционный усилитель с разомкнутой петлей обратной связи имеет коэффициент усиления К'и и входное сопротивление R'вх, то входное сопротивление ОУ с замкнутой петлей обратной связи уменьшается и становится равным Rbx=R'bx/K'и. Это сопротивление является нагрузкой фотодиода и при R'вх=106...107 Ом и К'и=5 105 (для современных ОУ) может быть равным 2...20 Ом. Уменьшение нагрузки позволяет повысить линейность световой характеристики, при этом выходное напряжение

а динамический диапазон преобразователя сверху ограничивается напряжением питания ОУ, т.е. Uвых max ≈UпОУ.

Динамический диапазон снизу ограничивается минимальной обнаруживаемой мощностью излучения :

,

где  f- ширина полосы пропускания. При Roc=107 Ом и S =0,25 А/ Вт на  =0,63мкм в единичной полосе пропускания Pmin≈10-13 Вт.

При использовании усилителя напряжения постоянная времени определяется из эквивалентной схемы рис.3,б:

.

Так как Rд>>RH, то ≈Rн(Cн+Cд). Поскольку в преобразователе на основе пары ФД—ОУ напряжение на фотодиоде равно Uвых/К'и и при К'и>>1 остаётся в пределах нескольких милливольт, влияние ёмкости Сд исключается и постоянная времени определяется произведением RocCoc, где Сoc— паразитная ёмкость резистора обратной связи. Следовательно, верхняя граница частотной характеристики определяется либо постоянной RocCoc [eсли 1/(2RocCoc)<f'], либо частотной единичного усиления f' ОУ [если 1/2RocCoc >f' )].

В первом случае при воздействии импульсного излучения интегрируется фототок, т. е. выходной сигнал ОУ пропорционален энергии импульса излучения. При этом допустимая частота следования импульсов определяется постоянной времени разряда RocCoc. Во втором случае выходной сигнал ОУ пропорционален мощности излучения (импульсного и непрерывного). При интегрировании импульсов фототока минимальная длительность импульса должна быть больше постоянной времени установления ОУ. В противном случае из-за отсутствия обратной связи в начальный момент времени ОУ будет работать в нелинейном режиме с большой погрешностью.

Возможны две схемы преобразователей на основе пары ФД—ОУ (рис.6). По схеме на рис.6, а измеряется мощность непрерывного излучения или энергия импульсов излучения при оговоренных выше допущениях, по схеме на рис.6,б измеряется мощность непрерывного излучения, а также энергия как постоянных, так и импульсных источников излучения. При использовании ОУ с входным каскадом на полевых транзисторах с токами утечки порядка 10-10 А скорость разряда интегрирующего конденсатора ёмкостью 10-6 Ф составит около 10-4 В/с, следовательно, такой преобразователь можно использовать для суммирования энергии повторяющихся импульсов излучения.

Рис. 6. Схемы преобразователей на основе пары фотодиод - операционный усилитель

 

Можно отметить следующие схемотехнические особенности преобразователя на основе пары ФД—ОУ:

ОУ с высоким коэффициентом усиления (К'и>>1), охваченный глубокой отрицательной обратной связью по напряжению, обеспечивает выходной сигнал

Uвых= –RocIф или ; осуществляется частотная коррекция сигнала (τ=RocCoc), расширение температурного диапазона постоянства Uвых, поскольку Uвых зависит от температуры только через температурную зависимость Iф, обеспечивается также стабилизация Uвых при изменении К'и за счёт вариации температуры, напряжения питания и ухода параметров элементов схемы;

существенно расширяется динамический диапазон Uвых при сохранении заданного порога чувствительности;

ОУ автоматически поддерживает на фотодиоде смещение в пределах Uвых/К'и ≈1..2 мВ, поэтому шумы вида 1/f минимальны.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

 

Цель работы: изучение принципа работы измерительных преобразователей на основе фотодиодов, снятие их характеристик.

 

Приборы и принадлежности: твердотельный лазер, He-Ne-лазер, измерительный преобразователь на основе фотодиода, измеритель энергии и мощности лазерного излучения.

 

Порядок выполнения работы

 

Собрать схему с внешним источником смещения и провести измерения зависимости напряжения сигнала на нагрузке фотодиода от мощности излучения лазера (He-Ne-лазера или лазера на АИГ).

Провести измерения для определения световой характеристики преобразователя на основе пары фотодиод — операционный усилитель.

Построить световую характеристику фотопреобразователя.


Полупроводниковые детекторы оптического излучения