Fotodiody - co warto o nich wiedzieć?

Aby lepiej zrozumieć działanie fotodiod, warto krótko przypomnieć teorię zjawisk, które zachodzą w złączu p-n. Jak wiadomo, w obszarze półprzewodnika typu p nośnikami większościowymi są dziury, a w obszarze typu n – wolne elektrony. Na skutek różnic w koncentracji ulegają one dyfuzji, tzn. dziury przemieszczają się z obszaru p do n, a elektrony w kierunku odwrotnym, z obszaru n do p. W wyniku ruchów nośników większościowych przez złącze p-n płynie prąd, zwany prądem dyfuzyjnym. Nośniki, które przemieszczą się na "drugą stronę", rekombinują tam z tymi, które w nim zostały. W efekcie w obszarze typu n powstaje nadmiar jonów dodatnich, a w tym typu p jonów ujemnych. W strefie przyzłączowej tworzy się w związku z tym podwójna warstwa ładunków nieskompensowanych, zwana warstwą zaporową, inaczej obszarem zubożonym.

Prąd unoszenia i fotoprąd

Trzeba również pamiętać, że domieszkowanie nie jest jedynym źródłem nośników ładunku w półprzewodniku – na skutek ruchów cieplnych dochodzi do losowej generacji par elektron-dziura. To natomiast skutkuje obecnością nośników mniejszościowych, czyli elektronów w obszarze p i dziur w obszarze n. Na nie z kolei oddziałuje pole elektryczne, które występuje w obszarze zubożonym. Pod jego wpływem przemieszczają się one na "drugą stronę" złącza. Płynie przez nie zatem również prąd unoszenia nośników mniejszościowych.

Złącze p-n utrzymuje równowagę pomiędzy prądem dyfuzyjnym a prądem unoszenia, w rezultacie czego ich prąd wypadkowy wynosi zero. Gdy jednak na złącze pada światło, w wyniku absorpcji fotonów także powstają pary elektron- -dziura. Jeżeli dochodzi do tego w obszarze zubożonym lub w jego pobliżu, na nośniki te oddziałuje jego pole, a przez złącze płynie prąd zwany fotoprądem. Jest on skierowany tak jak prąd unoszenia (rys. 1). Obszar zubożony ma w fotodiodach kluczowe znaczenie. Poszerzając go, można zwiększyć ich czułość, ponieważ wówczas przy takim samym natężeniu światła więcej nośników znajdzie się w zasięgu pola elektrycznego. Dzięki temu przez złącze popłynie fotoprąd o większym natężeniu.

 

Rys. 1. Przez złącze p-n w fotodiodach płyną prądy dyfuzyjny, unoszenia i fotoprąd

Tryby pracy fotodiod

Sygnałem pomiarowym tytułowych podzespołów jest prąd w przybliżeniu liniowo proporcjonalny do natężenia padającego światła. W podstawowym układzie pracy fotodiody z włączonym szeregowo rezystorem jest on przekształcany w napięcie, które jest dalej przetwarzane.

Relacja prądu do natężenia światła zależy od sposobu polaryzacji diody. Na tej podstawie rozróżnia się dwa tryby jej pracy: fotowoltaiczny oraz fotoprzewodzący. W pierwszym z nich fotodioda jest niespolaryzowana, natomiast w drugim jest spolaryzowana w kierunku zaporowym. W pewnych okolicznościach fotodiody, które pracują w trybie fotowoltaicznym, sprawdzą się lepiej niż w tym drugim. Aby to uzasadnić, najpierw trzeba wyjaśnić, czym jest prąd ciemny.

Płynie on przez fotodiodę nawet wtedy, kiedy nie jest oświetlona. W efekcie jej całkowity prąd jest sumą fotoprądu i prądu ciemnego. Występowanie tego ostatniego jest zjawiskiem niepożądanym, ponieważ ogranicza zdolność fotodiod do pomiaru słabego światła – oświetlenie o małym natężeniu wytwarza fotoprąd o natężeniu zbliżonym do natężenia prądu ciemnego, przez co maleje dokładność pomiaru. Aby rozwiązać ten problem, stosowane są różne techniki, które polegają na odejmowaniu szacowanego prądu ciemnego od prądu fotodiody. Ich skuteczność nie jest jednak duża, gdyż nie są w stanie uwzględnić losowych zmian prądu ciemnego. Generalnie więc pomiar słabego światła, dla którego natężenie fotoprądu jest porównywalne z prądem ciemnym (a tym bardziej mniejsze), jest obarczony dużym błędem, a nawet niemożliwy.

Tryb fotowoltaiczny czy fotoprzewodzący?

Zaletą trybu fotowoltaicznego jest redukcja prądu ciemnego. W "zwykłych" diodach przyłożenie napięcia polaryzacji zaporowej zwiększa prąd wsteczny. Analogiczna zależność dotyczy prądu ciemnego w fotodiodach – im większe jest napięcie polaryzacji zaporowej, tym jest on większy, natomiast bez polaryzacji zostaje wyeliminowany. Dlatego tryb fotowoltaiczny jest zalecany do zastosowań, w których mierzone jest małe natężenie światła.

Przy polaryzacji zaporowej z kolei poszerza się obszar zubożony. Ma to w przypadku fotodiod dwie zalety. Po pierwsze, jak pisaliśmy wyżej, zwiększa to ich czułość. Po drugie, szerszy obszar zubożony zmniejsza pojemność złącza fotodiody. W rezultacie tryb fotoprzewodzący zapewnia szersze pasmo przenoszenia i jest preferowany, gdy trzeba zwiększyć zdolność fotodetektora do reagowania na szybkie zmiany natężenia oświetlenia. Oprócz tego polaryzacja wsteczna zwiększa zakres liniowy charakterystyki fotodiody.

Model zastępczy fotodiody

Model zastępczy charakteryzuje właściwości fotodiody. Warto przeanalizować jego poszczególne elementy, by lepiej zrozumieć, jak w praktyce działają detektory światła tego typu. Choć przyjmuje się różne modele zastępcze fotodiod, zazwyczaj wyróżnić na nich można cztery elementy (rys. 2): źródło prądu, złącze p-n oznaczone symbolem diody, kondensator i rezystor włączone równolegle i opornik włączony szeregowo. Źródło prądowe reprezentuje fotoprąd generowany pod wpływem oświetlenia złącza.

 

Rys. 2. Model zastępczy fotodiody

Kondensator równoległy charakteryzuje pojemność złącza fotodiody zależną od obszaru zubożenia. Jest to ważny parametr, gdyż wpływa na odpowiedź częstotliwościową elementu – im pojemność złącza p-n jest mniejsza, tym lepiej fotodioda sprawdza się w pracy w zakresie większych częstotliwości. Często kondensator ten oznaczany jest jako zmienny. Przypomina to o tym, że pojemność złącza zależy od napięcia polaryzacji – przy większym napięciu polaryzacji w kierunku zaporowym uzyskuje się większą przepustowość.

Co reprezentują rezystory?

Rezystor bocznikowy, który jest włączony idealnie równolegle powinien mieć nieskończoną wartość rezystancji. Dzięki temu całkowity prąd ze źródła popłynie przez obciążenie, zaś stosunek prądu do napięcia będzie całkowicie określony przez jego opór. Jeśli natomiast rezystancja opornika bocznikowego jest zbliżona do oporu obciążenia, zaczyna w bardziej zauważalny sposób wpływać na stosunek prądu do napięcia. Zwiększa też szum termiczny. W rzeczywistości jednak jest ona bardzo wysoka, na tyle aby nie wpływać negatywnie na działanie fotodiody – na przykład w tych krzemowych typowo rezystancja bocznikowa jest rzędu dziesiątek, setek, a nawet tysięcy MΩ. Dużą wartość ma też w przypadku detektorów światła z arsenku indu i galu, natomiast dla fotodiod z germanu jest rzędu zaledwie kΩ.

Opornik szeregowy z kolei reprezentuje rezystancję styków i materiału półprzewodnikowego diody. Typowo ma ona wartość kilku do najwyżej kilkudziesięciu Ω. Jej wpływ na pracę fotodiody jest niewielki – dopiero jej nadmierna wartość może pogorszyć liniowość charakterystyki. Wynika to stąd, że fotoprąd przepływający przez ten opornik spowoduje spadek napięcia, który zacznie polaryzować złącze w kierunku przewodzenia.

Wzmacnianie sygnału fotodiody

W celu wzmocnienia prądu o bardzo małym natężeniu generowanego przez fotodiodę zazwyczaj wykorzystuje się wzmacniacze transimpedancyjne Są to komponenty zaprojektowane specjalnie do konwersji sygnału prądowego na sygnał napięciowy, przy stosunku prądu do napięcia określonym przez wartość rezystora sprzężenia zwrotnego wzmacniacza. Schemat obwodu do pomiaru prądu fotodiody przedstawiono na rysunku 3. Wynika z niego, że skoro wejście nieodwracające wzmacniacza jest podłączone do masy, uwzględniając wirtualne zwarcie wejść wzmacniacza, czyli założenie, że napięcia na wejściu odwracającym i nieodwracającym są sobie równe, można również przyjąć, że wejście odwracające jest na potencjale masy. Fotodioda jest zatem niespolaryzowana, w związku z czym pracuje w trybie fotowoltaicznym. Wzmocnienie fotoprądu w tym obwodzie zależy od wartości rezystancji RF. Kondensator CF jest natomiast wymagany do skompensowania pojemności złącza fotodiody, aby uniknąć niestabilności wzmacniacza i będących jej następstwem niepożądanych oscylacji.

 

Rys. 3. Wzmacniacz transimpedancyjny w obwodzie wzmocnienia fotoprądu

Monika Jaworowska