Характеристики фотодиодов

6.11

Как уже показывалось выше в основе работы ФД лежит фотогальвани-ческий эффект – возникновение фототока (или фото-э.д.с.) при облучении не-  

6.11

6.12.

Рис.6.12. Вольтамперные характеристики p-n перехода:

а) без освещения; б) при освещении

(6.3)

(6.2)

(6.1)

(6.5)

(6.4)

Теоретический предел чувствительности фотоприемников.

В идеальном случае чувствительность фотоприемника ограничивается квантовым пределом. Этот предел обусловлен тем, что даже для идеального регистратора фотонов сам процесс преобразования светового сигнала в электрический ток носит статистический характер, то есть нельзя точно предсказать, какое количество электронов генерирует регистратор фотонов под действием света известной интенсивности в течение промежутка времени t. Полное количество генерируемых электронов задается распределением Пуассона

(6.6)

.

t

t

t

(6.8)

(6.7)

(6.6)

(6.12)

(6.11)

(6.10)

(6.9)

(6.14)

(6.13)

Источники шумов при прямом фотодетектировании сигналов

Фотоприемное устройство включает в себя фотодетектор (фотодиод) и усилитель фототока. Для анализа и определения чувствительности фотоприемного устройства необходимо знать источники шумов. Ниже на схеме (рис. 6.13) приведены источники шумов фотоприемного устройства (ФПУ) при прямом детектировании сигнала.

Рис. 9 источ

	дроб. шум. темн. тока; дроб. шум преобразо-вания сигнала

Рис.6.13. Источники шумов при прямом фотодетектировании

Все приведенные выше шумы необходимо учитывать при проектировании ФПУ. К счастью в большинстве случаев можно выделить преобладающие шумы и пренебречь остальными. Среди них ФПУ в основном рассматриваются 3 вида:

1. дробовый шум фотодиода

.

Спектральная плотность дробового шума – среднее квадратичное значение амплитуды в полосе частот 1 Гц равна:

2. тепловой шум (шум, вызванный протеканием тока через сопротивление в цепи) Спектральная плотность теплового шума равна:

или

тепловой шум или шум Джонсона называется «белым» шумом, его спектральная плотность не зависит от частоты.

3. Шумы входных каскадов усилителя.

Схема подключения фотодиода к усилителю.

На рис. 6.14 приведена схема подключения фотодиода к усилителю.

Рис. 6.14 Схема включения фотодиода в цепь усилителя.

I(t) – световой поток на входе фотодиода; i(t) –фототок; R_в – сопротивление смещения фотодиода; С_вх и R_вых – входная емкость и входное сопротивление усилителя; ОУ – операционный усилитель; U_вх – напряжение на выходе фотодиода (на входе усилителя).

Типичная характеристика фотодиода (отклик на его облучение импульсом света I(t)) приведена на рис.6.15.

Изменяющаяся во времени мощность излучения I(t) приводит к изменению тока i(t) и, соответственно напряжение на входе усилителя U_вх(t). На рис. 6.15 приведена типичная входная характеристика фотодиода. Ее вид зависит от трех факторов: а) постоянной времени фотодиода и его нагрузки R_В С_вх; передний фронт импульса на рис. 6.15; б) переходного времени, которое определяется дрейфом носителей через обедненный слой; в) задержкой, которая определяется диффузией носителей, находящийся вне обедненного слоя фотодиода (задний фронт).

Рис. 6.15.

Эквивалентные схемы фотодиода и усилителя для приема слабых сигналов.

При проектировании фотоприемных устройств широко применяется метод составления эквивалентных схем, в котором для удобства расчетов фотодиод представляется в виде генератора тока с соответствующими эквивалентными значениями емкости и сопротивления (эквивалентным суммарным значениям сопротивлений и емкостей в цепи фотодиода)

Эквивалентная схема обратно смещенного фотодиода и усилителя для приема слабых сигналов приведена на рис. 6.16.

Рис.6.16.

Ток фотодиода через сопротивление и емкость в его цепи поступает на нагрузку С_вх и R_вх, котораяпредставляет собой входной импеданс усилителя. При этом распределенная паразитная емкость С_S и сопротивление смещения фотодиода R_вх шунтирует выход фотодиода. В этом случае фотодиод и его нагрузка, могут быть представлены схемой, приведенной на рис. 6.16, которая в упрощенном виде показана на рис. 6.17. Здесь учтено, что R_s<< R_вх и объеденены соединенные параллельно элементы (сопротивления и емкости). Обычно значения 1/ R_в и G_D много меньше, чем 1/ R_вх, поэтому:

- проводимость фотодиода (величина обратная величине фотосопротивления) и .

Рис.6.17. Упрощенная эквивалентная схема фотодиода, полученная в результате пренебрежения величиной R_s и объединения параллельно соединенных элементов в схеме на рис. 6.16.

При изменении значений фототока в зависимости от интенсивности облучения напряжение на нагрузке будет изменяться с запаздыванием, которое определяется постоянной времени RС. Если световой сигнал изменяется синусоидально, с частотой , то напряжение на выходе усилителя ФПУ будет равно .

Для получения необходимой частотной характеристики нужно по возможности снижать емкость С, в частности, выбирать фотодиоды с минимальным значением , уменьшать паразитную емкость С_S и емкость входного каскада усилителя. Обычно принципиальным ограничением на верхнюю частоту является собственная емкость фотодиода , значения которой составляют величину . Для дальнейшего расширения полосы частот необходимо уменьшать сопротивление R, либо применять коррекции сигнала.

Дата добавления: 2014-01-20