Supplement 1.13: Halfgeleiderfotodioden (4/4)

Elektronische schakelingen

De mogelijkheden van elektronische schakelingen worden duidelijk wanneer het karakteristiekveld van een fotodiode wordt aangevuld met weerstandslijnen.

Karakteristiek van een fotodiode met weerstandslijnen

De karakteristieken van een fotodiode bij toenemende belichting ϕ, aangevuld met weerstandslijnen die verschillende werkingsmodi van een fotodiode weergeven.

De volgende afbeelding van de basisbedradingen illustreert de verschillende bedrijfsmodi.

a) b) c)
De mogelijkheden voor het aansluiten van een fotodiode.

Versie a) vereist geen externe voedingsspanning. De fotodiode wordt in fotovoltaïsche modus gebruikt. Het is een stroombron die afhankelijk is van de verlichting. De fotostroom wekt een spanning $U_{R}$ op over de weerstand $R$ . Dit komt overeen met de rode weerstandslijn in het karakteristiekdiagram die bij het beginpunt begint, met $R = 330 Ω$ . In plaats van de ohmse weerstand kan ook een andere elektrische belasting worden gebruikt. Zonnecellen werken volgens dit principe, waarbij de belastingslijn zo verloopt dat een zo groot mogelijk elektrisch vermogen $P = U_{R} I_{f o t o}$ wordt verkregen.

De rode weerstandslijn laat zien dat de lineariteit van het uitgangssignaal $U_{R}$ afneemt naarmate de verlichting toeneemt, wanneer de doorlaatstroom van de diode bij de fotostroom wordt opgeteld. Dit is nog duidelijker bij zeer hoge weerstandswaarden of zeer kleine diodestromen. De gele weerstandslijn laat dit zien voor $R \to \infty$ ; deze ligt in het doorlaatgebied bijna op de spanningsas. Stelt men in de Shockley-vergelijking voor fotodioden

I_{D} = I_{D, o} (e^{U_{D} / U_{T}} - 1) - I_{f o t o}

$I_{D} = 0$ en de vergelijking logaritmeert, volgt hieruit:

U_{D} = U_{T} ln (\frac{I_{f o t o}}{I_{D, o}} + 1)

De spanning over de diode is evenredig met de logaritme van de fotostroom en dus met de helderheid. De weerstand $R$ kan worden weggelaten en de diode kan rechtstreeks worden aangesloten op een spanningsmeter met hoge weerstand (multimeter, oscilloscoop). Aangezien de omgekeerde stroom $I_{D, o}$ sterk temperatuurafhankelijk is, is de schakeling weinig geschikt voor logaritmische metingen van de helderheid.

Vergelijkingen ↓

Versie b) maakt gebruik van een externe positieve bedrijfsspanning $U_{B}$ aan de kathode. Dit komt overeen met de rode gestreepte weerstandslijn in het karakteristiekdiagram, met $U_{B} = 4 V$ en $R = 1 k Ω$ . In het donker is $I_{f o t o} = 0$ , aan de fotodiode ligt dan bijna de bedrijfsspanning als sperringsspanning aan. De beperking vloeit voort uit de blokkeerstroom $I_{D, o}$ , die bij metingen van zwakke lichtsignalen een storende en temperatuurafhankelijke basiswaarde veroorzaakt. Toenemende verlichting levert een spanning $U_{R}$ op die evenredig is aan de helderheid.

Zoals weergegeven op pagina 2 is de capaciteit van een pin-fotodiode met een externe sperring klein; de schakeling is daarom geschikt voor het meten van hoge lichtfrequenties en korte lichtpulsen.

Versie c) is gericht op de directe meting van de fotostroom met een stroommeter met een zo laag mogelijke weerstand. Deze werkwijze komt overeen met de groene rechte lijn, gemarkeerd met $R \to 0$ , in het karakteristiekdiagram. Vanwege de hogere capaciteit van de diode zonder sperrichting is de schakeling niet geschikt voor het meten van snelle signalen. Een groot voordeel is echter de ligging van het werkpunt in de oorsprong bij duisternis, aangezien hier geen sperrichtingstroom optreedt. Zo kunnen zeer kleine signalen gevoelig worden gemeten. Alleen de ruis van de fotodiode vormt een storende factor.

Schakelingen van een fotodiode met een operationele versterker

De fotodiodeversterker.

De afbeelding rechts toont een operationele versterker (OP) voor het versterken van de fotostromen van een fotodiode. De schakeling wordt een fotodiodeversterker genoemd.

De functie van de op-amp is het spanningsverschil tussen zijn inverterende (-) en niet-inverterende (+) ingang te minimaliseren. Hij regelt daarom het potentiaal aan de inverterende ingang op nul. Hiervoor genereert hij een uitgangsspanning U_a, die leidt tot een stroom door de weerstand R , zodanig dat de som van de stromen aan de inverterende ingang nul wordt (de knooppuntregel van Kirchhoff). De stroom door R is dus gelijk aan -I_photo. De blokkeerspanning over de fotodiode verandert niet; dit is een voordeel van de schakeling ten opzichte van het gebruik van alleen een ohmse weerstand. Door het gebruik van de inverterende ingang heeft de uitgangsspanning $U_{a}$ een tegengesteld teken in vergelijking met de hierboven getoonde, eenvoudigere schakeling zonder op-amp.

Om de polariteit van $U_{a}$ te wijzigen, kan de fotodiode in omgekeerde richting worden aangesloten op de inverterende ingang van de op-amp. In dat geval moet ook de polariteit van de externe spanning op de fotodiode worden omgekeerd. Dit geldt op dezelfde manier ook voor de eenvoudigere schakeling die in de linkerkolom wordt weergegeven. De voorspanning van de fotodiode kan ook nul zijn, wat op zijn beurt, vanwege de afwezigheid van blokkeringsstroom in de diode, metingen van lage helderheden mogelijk maakt, mits de op-amp van het type met lage ruis is.

Literatuur

Een actueel en uitgebreid overzicht van de fysica en de stand van de techniek op het gebied van fotodioden is te vinden in

Vasco D. B. Bonifácio & Rita F. Pires: Photodiodes: Principles and recent advances, Journals of Materials NanoScience, 6(2), 38-46, 2019.

Net als bij vacuümfotodioden en fotomultiplicatoren zijn er ook over halfgeleiderfotodioden informatieve publicaties van bedrijven beschikbaar. Hiertoe behoren