Перейти к содержанию

Фотодиод

Фотодиод — обычный p-n-переход, к которому открыт доступ свету. Поглощённые фотоны рождают пары электрон–дырка, поле перехода их разделяет, и во внешней цепи течёт ток, пропорциональный освещённости. Как этот ток превратить в отсчёты АЦП и почему не стоит просто ставить резистор, зависит от режима работы.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Фотодиод (photodiode) — полупроводниковый диод, оптимизированный для того, чтобы давать ток под действием ультрафиолетового, видимого или инфракрасного излучения. Чаще всего его делают из кремния (Kuphaldt, Vol. III, разд. 3.12.5). Свет проходит через тонкий верхний слой в обеднённую область перехода, рождает там пары электрон–дырка, а электрическое поле перехода разводит их в разные стороны — во внешней цепи течёт фототок.

Режимы работы

РежимКак включёнСвойства
Фотогальваническийбез смещения, меряют напряжениечувствителен, малошумящ, но нелинеен в широком диапазоне
Фототоковый, нулевое смещениеток в виртуальную землю ОУток линеен по свету на несколько декад
Фототоковый, обратное смещениеобратное напряжение на диодеменьше ёмкость, выше скорость

По Kuphaldt, разд. 3.12.5. Для фототокового режима нужен усилитель тока — трансимпедансный усилитель: он держит напряжение на диоде постоянным, поэтому ток остаётся пропорциональным свету, пока диод не сместится в прямом направлении.

Уровни токов

Фототок мал: от нескольких сотен пикоампер до десятков микроампер (TLV900x, SBOS833R, разд. 9.2.2). Поэтому для фотодиода важны входной ток ОУ, утечки по плате и экранирование входной цепи. Пример расчёта усилителя на 0–10 мкА с полосой 50 кГц приведён в статье о трансимпедансном усилителе.

Скорость и ёмкость

Быстродействие фотодиода ограничивает ёмкость перехода. Её уменьшают тремя способами: меньшей площадью, более толстой обеднённой областью и большим обратным смещением. Последний шаг — PIN-фотодиод: собственный (нелегированный) слой между p- и n-областями раздвигает их, уменьшает ёмкость, а полоса таких диодов достигает десятков гигагерц.

Где встречается

Фотодиоды стоят внутри цифровых датчиков освещённости вроде BH1750 и VEML7700, в быстрых оптопарах, приёмниках ИК-пультов. Когда нужен ток побольше и скорость не важна, вместо фотодиода ставят фототранзистор. Обзор датчиков света и их спектральных характеристик — в статье о датчиках освещённости.

Частые вопросы

Можно ли подключить фотодиод к АЦП через резистор?

Можно, и это рабочая схема: фотодиод в обратном смещении, последовательно резистор, напряжение с резистора — на АЦП. Kuphaldt указывает, что ток остаётся линейным по свету, пока диод не сместится в прямом направлении (Vol. III, разд. 3.12.5), то есть пока падение на резисторе много меньше напряжения смещения. Резистор — компромисс: чем он больше, тем выше чувствительность, но тем раньше кончается линейный участок и тем уже полоса, ведь вместе с ёмкостью диода он образует RC-цепь. Трансимпедансный усилитель снимает этот компромисс, удерживая напряжение на диоде постоянным.

Чем фотодиод отличается от фототранзистора?

Фототранзистор — это фотоприёмник, ток которого усилен самим транзистором. Ток у него намного больше, и его проще читать резистором и АЦП, но по скорости и линейности он уступает фотодиоду. Фотодиод даёт малый ток — сотни пикоампер–десятки микроампер (SBOS833R, разд. 9.2.2), — зато быстрее и точнее.

Зачем подавать на фотодиод обратное напряжение?

Чтобы уменьшить ёмкость перехода и ускорить отклик: Kuphaldt перечисляет три способа снизить ёмкость — меньшая площадь, более толстая обеднённая область и большее обратное смещение (разд. 3.12.5).

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. III — Semiconductors, ch. 3 «Diodes and Rectifiers» (CC BY) — разд. 3.12.5: фотодиод оптимизирован для тока в ответ на ультрафиолет, видимый или инфракрасный свет, чаще всего из кремния; тонкий верхний p-слой пропускает свет в обеднённую область, где рождаются пары электрон–дырка, поле перехода разделяет их; фотогальванический режим (по напряжению) нелинеен в широком диапазоне, хотя чувствителен и малошумящ до 100 кГц; фототоковый режим с обратным или нулевым смещением — ток линеен по световому потоку на несколько декад и выше быстродействие, нужен трансимпедансный усилитель; скорость определяется ёмкостью: её уменьшают меньшей площадью, более толстой обеднённой областью или большим обратным смещением; PIN-диод с собственным слоем между p и n — меньше ёмкость, выше скорость, полоса до десятков гигагерц
  2. Texas Instruments. TLV900x Low-Power, RRIO, 1-MHz Operational Amplifier for Cost-Sensitive Systems, SBOS833R (revised November 2021) — разд. 9.2.2: ток фотодиода пропорционален поглощённой энергии фотонов, обычно от нескольких сотен пикоампер до десятков микроампер; для его оцифровки МК используют усилитель в трансимпедансном включении; в примере ёмкость фотодиода 47 пФ входит в расчёт полосы ОУ

Нашли ошибку?

Смотрите также