В электротехнике широко используются различные приборы и устройства, связанные с особенностями и физическими свойствами материалов. Среди них особое место занимают фотодиоды, принцип работы которых основан на воздействии оптического излучения. В результате, материал изменяет свои качества, что позволяет ему выполнять различные функции в электрических цепях.
Простой фотодиод является обыкновенным полупроводниковым диодом с р-п-переходом, на который оказывает действие оптическое излучение. При полном отсутствии светового потока, диод находится в состоянии равновесия и обладает обычными свойствами.
Действие излучения направлено перпендикулярно относительно плоскости, где расположен р-п-переход. Энергия, с которой поглощаются фотоны, превышает ширину запрещенной зоны, что приводит к возникновению электронно-дырочных пар. Данные пары, состоящие из электронов и дырок, получили наименование фотоносителей.
Когда фотоносители проникают внутрь п-области, электроны и дырки, в основной массе не успевают распадаться на составляющие и подходят непосредственно к границе р-п-перехода. В этом месте происходит разделение фотоносителей с помощью электрического поля. В результате, дырки попадают в р-область. Электроны же не в состоянии пройти через поле, окружающее переход, поэтому начинается их скапливание возле п-области и у границы перехода. Таким образом, прохождение тока через переход полностью зависит от движения дырок. Данный вид тока с участием фотоносителей получил название фототока.
Под воздействием фотоносителей-дырок в р-области по отношению к п-области возникает положительный заряд. Таким же образом, п-область заряжается отрицательно относительно р-области. Происходит возникновение разности потенциалов, именуемой фото-ЭДС. Ток, сгенерированный в фотодиоде, имеет обратное значение и направление от катода к аноду. Величина этого тока возрастает в зависимости от увеличения степени освещенности. Работа фотодиодов может осуществляться в двух режимах. В первом случае используется фотогенераторный режим, не предусматривающий внешний источник электроэнергии. В режиме фотопреобразователя необходимо использование внешнего источника электроэнергии.
Режим фотогенератора позволяет использовать фотодиоды как источники питания, преобразующие солнечное излучение в электрическую энергию. Они используются в качестве . Коэффициент полезного действия элементов на основе кремния составляет примерно 20%. КПД у пленочных конструкций может быть значительно выше.
В работе фотодиодом нередко используется свойство обратимого электрического пробоя. В результате, количество носителей заряда умножается лавинообразно, по аналогии с полупроводниковыми стабилитронами. Происходит значительный рост фототока и чувствительности фотодиодов. Данное значение превышает обычные параметры в сотни раз.
Частота лавинных фотодиодов достигает величины до 10 ГГц, что позволяет использовать их в качестве быстродействующих фотоэлектрических приборов. Единственным недостатком этих устройств является повышенный уровень шума. Фотодиоды очень часто используются в паре со светодиодами. Они размещаются в общем корпусе, при этом, расположение светочувствительной площадки фотодиода наиболее оптимально к излучающей светодиодной площадке. Данные приборы получили название оптронов. Электрические связи совершенно не касаются входных и выходных цепей, поскольку сигналы передаются путем оптического излучения.
Если рассматривать в целом непосредственно фотодиоды, принцип действия и другие параметры этих устройств, следует отметить то, как выходная мощность соотносится с общей массой и площадью солнечной батареи. Максимальное значение этих параметров может достигать соответственно 200 ватт на 1 кг и 1 киловатт на 1 м2.
Кроме того, значение имеет вольт-амперная характеристика, в которой выходное напряжение зависит от выходного тока. Значение спектральных характеристик показывает соотношение фототока и величины световых волн, падающих на фотодиод. Максимальное значение данного параметра находится в прямой зависимости от того, насколько возрастает коэффициент поглощения.
Фототок и освещенность определяют световую характеристику фотодиода. Обе величины имеют между собой прямую пропорциональную зависимость. Эта величина представляет временной отрезок, на протяжении которого происходят изменения после того как фотодиод освещен или затемнен. Показатель соотносится с установленным значением. Фотодиод также характеризуется в соответствии с сопротивлением при отсутствии освещения и другими параметрами, определяющими его работоспособность и область практического применения.
Фотодиод - это полупроводниковый диод, у которого ток зависит от освещенности. Обычно под этим током подразумевают обратный ток фотодиода, потому что его зависимость от освещенности выражена на порядки сильнее, чем прямого тока. В дальнейшем мы будем говорить именно про обратный ток.
В общем случае фотодиод представляет собой p-n переход, открытый для светового излучения. Под воздействием света в области p-n перехода генерируются носители заряда (электроны и дырки), которые проходят через него и вызывают напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи.
Фотодиод, в зависимости от его материала, предназначен для регистрации светового потока в инфракрасном, оптическом и ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Фотодиоды изготавливают из кремния, германия, арсенида галлия, арсенида галлия индия и других материалов.
Фотодиоды широко используются в системах управления, метрологии, робототехнике и других областях. Также они используются в составе других компонентов, например, оптопар, оптореле. Применительно к микроконтроллерам, фотодиоды находят применение в качестве различных датчиков - концевых датчиков, датчиков освещенности, расстояния, пульса и т.д.
На электрических схемах фотодиод обозначается как диод, с двумя направленными к нему стрелочками. Стрелки символизируют падающее на фотодиод излучение. Не путайте с обозначением светодиода, у которого стрелки направлены от него.
Буквенное обозначение фотодиода может быть VD или BL (фотоэлемент).
Фотодиод работает в двух режимах: фотодиодном и фотогальваническом (фотовольтаическом, генераторном).
В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении. В этом случае через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.
В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания. В этом режиме он может работать в качестве датчики или в качестве элемента питания (солнечной батареи), так как под воздействием света на выводах фотодиода появляется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.
Чтобы получше разобраться с режимами работы фотодиода, нужно рассмотреть его вольтамперную характеристику.
График состоит из 4 областей, так называемых квадрантов. Фотодиодному режиму соответствует работа в 3-м квадранте.
При отсутствии излучения график представляет собой обратную ветвь вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода. Присутствует небольшой обратный ток, который называется тепловым (темновым) током обратно смещенного p-n перехода.
При наличии светового потока, сопротивление фотодиода уменьшается и обратный ток фотодиода возрастает. Чем больше света падает, тем больший обратный ток течет через фотодиод. Зависимость обратного тока фотодиода от светового потока в этом режиме линейная.
Из графика видно, что обратный ток фотодиода слабо зависит от обратного напряжения. Посмотрите на наклон графика от нулевого напряжения до напряжения пробоя, он маленький.
Фотогальваническому режиму соответствует работа фотодиода в 4-м квадранте. И здесь можно выделить два предельных случая:
Холостой ход (хх),
- короткое замыкание (кз).
Режим близкий к холостому ходу используется для получения энергии от фотодиода. То есть для применения фотодиода в качестве солнечной батареи. Конечно, от одного фотодиода будет мало проку, да и КПД у него невысокий. Но если соединить много элементов, то такой батареей можно запитать какое-нибудь мало-потребляющее устройство.
В режиме короткого замыкания, напряжение на фотодиоде близкое к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим используется для построения фотодатчиков.
В чем преимущество и недостатки фотодиодного и фотогальванического режимов работы? Фотодиодный режим обеспечивает большее быстродействие фотодиода, но в этом режиме всегда есть темновой ток. В фотогальваническом режиме темнового тока нет, но быстродействие датчиков будет ниже.
Фотодиоды преобразуют световые сигналы прямо в электрические, используя обрат-лый пр сравнению со светодиодами физический процесс. В p-i-n-фотодиоде есть широкий внутренний (i-) полупроводниковый слой, разделяющий зоны р- и n-типа, как показано на рис. 6.9. На диод подается обратное смещение (5-20 вольт), это помогает удерживать лосители заряда от внутренней области.
Ширина внутреннего слоя гарантирует, что высока вероятность поглощения входящих фотонов именно этим слоем, а не областями р- или n-типа. Внутренний слой имеет высокое сопротивление, поскольку в нем нет свободных носителей заряда. Это приводит к падению большей части напряжения на этот слой, и результирующее электрическое поле повышает скорость ответа и снижает шум. Когда луч света с подходящей энергией попадает на внутренний слой, он создает пару электрон - дырка, поднимая электрон из валентной зоны в зону проводимости и оставляя на его месте дырку. Напряжение смещения заставляет эти носители заряда (электроны в зоне проводимости) быстро смещаться из переходной зоны, создавая ток, пропорциональный падающему свету, как показано на рис. 6.9.
У входящего фотона должно быть достаточно энергии для подъема электрона через запрещенную зону и создания пары электрон - дырка. У различных полупроводниковых материалов ширина запрещенной зоны различная, энергетический барьер в электрон-вольтах (эВ) может быть связан с длиной волны (λ) с помощью того же самого уравнения, как для светодиодов.
Для конкретного типа детектора энергетический барьер W есть величина постоянная, поэтому вышеприведенная формула дает максимальную длину волны, которая может быть зафиксирована, то есть длину волны отсечки.
Чувствительность ρ есть отношение выходного тока (i ) детектора к входной оптической -мощности (Р ).
Для 800 нм чувствительность кремния около 0,5 А/Вт, а пиковая чувствительность InGaAs около 1,1 А/Вт для 1700 нм, снижаясь до 0,77 А/Вт для 1300 нм.
Спектральная характеристика показывает изменение чувствительности в зависимости от длины волны. Типичные кривые спектральной характеристики для кремниевых и InGaAs p-i-n-диодов показаны на рис. 6.10.
Квантовая эффективность излучателя определяется как отношение числа выделенных электронов к числу падающих фотонов. У кремния и InGaAs пиковая квантовая эффективность около 80%.
Скорость ответа детектора ограничена временем прохода, которое является временем преодоления свободными зарядами ширины внутреннего слоя. Это функция напряжения обратного смещения и физической ширины. Для быстрых p-i-n-диодов она колеблется от 1,5 до 10 нс. Емкость также влияет на ответ устройства, причем емкость перехода образует изолирующим внутренним слоем между электродами, образованными p- и n-областями. У высокоскоростных фотодиодов время ответа может достигать 10 пикосекунд при емкости в несколько пикофарад с очень маленькими площадями поверхностей.
Типичные вольтамперные (I-U) кривые для кремниевого p-i-n-фотодиода показа, на рис. 6.11. Можно видеть, что даже когда нет оптической мощности, течет небольшой обратный ток, который называется темновым током (dark current). Он вызывается температурным образованием свободных носителей зарядов, обычно удваиваясь через каждые 10°С прироста температуры после 25°С.
Линейная зависимость между напряжением и оптической мощностью, показанная на рис. 6.11 сохраняется обычно на протяжении около шести десятков, давая динамический диапазон около 50 дБ.
Конструкция p-i-n-фотодиодов подобна использовавшейся для светодиодов и лазеров, но оптические требования менее критичны. Активная область детекторов обычно гораздо больше, чем сердечник волокна, поэтому поперечное выравнивание не создает проблем.
При поглощении световых квантов в p-n переходе или в примыкающих к нему областях генерируются новые носители заряда (электроны и дырки), которые проходя через него и вызывают появление напряжение на выводах фотодиода или протекание тока в замкнутой цепи. Величина, на которую возрастает обратный ток протекающий через переход, называют фототоком.
Фотодиод, в зависимости от материала из которого он изготовлен, используется для регистрации светового потока в оптическом инфракрасном, и ультрафиолетовом диапазоне. Эти радиокомпоненты обычно изготавливают из германия, кремния, арсенида галлия, индия и т.п.
В фотодиодном режиме применяется внешний источник питания, который смещает полупроводниковый прибор в обратном направлении. В этом случае через протекает обратный ток, пропорциональный падающему на него световому потоку. В рабочем диапазоне напряжений (то есть до наступления пробоя), этот ток практически не зависит от приложенного обратного напряжения.
В фотогальваническом режиме фотодиод работает в роли датчики или в роли слаботочного элемента питания, так как под воздействием светового потока на выводах фотоэлемента генерируется напряжение, зависящее от потока излучения и нагрузки.
Чтобы лучше разобраться с режимами работы этого компонента, рассмотрим его вольтамперную характеристику.
При отсутствии светового излучения график представляет собой обратную ветвь ВАХ типичного диода. Присутствует небольшой ток обратки, называемый темновым током обратно смещенного.
При наличии излучения, сопротивление фотодиода снижается и обратный ток увеличивается. Чем больший световой поток падает на фотоэлемент, тем больший обратный ток протекает через фотодиод. Зависимость в этом режиме линейная. Как видим из ВАХ обратный ток фотодиода практически не зависит от обратного напряжения.
Фотогальваническому режиму соответствует работа в четвертой четверти графика. И здесь можно выделить два предельных варианта: режим холостого хода и короткого замыкания.
Режим приближенный к холостому ходу применяется для получения энергии от фотодиода, хотя КПД у него невысокий. Но если соединить последовательно и параллельно много таких компонентов, то такой получившейся батареей можно запитать мало-потребляющую схему.
В режиме короткого замыкания, напряжение на фотоэлементе стремится к нулю, а обратный ток прямо пропорционален световому потоку. Этот режим применяется для построения фотодатчиков.
Характеристики фотодиода |
Помимо ВАХ, рассмотренной выше существкует еще ряд основных параметров фотоэлемента.
Световая характеристика фотодиода , зависимость фототока от освещенности, которая прямопропорционально генерируемому фототоку от освещенности. Это объясняется тем, что толщина базы фотодиода гораздо меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, появившиеся в базе, учувствуют в образовании фототока.
Спектральная характеристика фотодиода - это зависимость фототока от длины волны светового потока воздействующего на фотоэлемент.
постоянная времени - в течение этого времени фототок фотоэлемента изменяется после освещения или после затемнения фотодиода по отношению к установившемуся значению.
темновое сопротивление - сопротивление радиокомпонента при отсутствии освещения.
Принцип работы
На рис.2 представлена схема, отражающая принцип работы детекторов с обратно смещенным фотодиодом. Величина генерируемого фототока зависит от светового потока и длины волны излучения. При подключении нагрузочного сопротивления данную величину можно наблюдать с помощью осциллографа. Функция RC-фильтра заключается в подавлении высокочастотного шума источника питания.
Рис.3 Схема детектора с усилителем
При использовании схемы фотоприемников с усилителем пользователь может выбирать режим работы фотодиода (фотогальванический или фотодиодный). Каждый режим обладает своими преимуществами:
Фотогальванический режим: в фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается напряжение, и потенциал на входе A операционного усилителя равен потенциалу в точке B. При работе в таком режиме темновой ток пренебрежимо мал.
Фотодиодный режим: в фотодиодном режиме к p-n переходу приложено напряжение обратного смещения, что уменьшает емкость перехода и увеличивает полосу пропускания. Усиление зависит от резистора обратной связи (R f). Ширина полосы пропускания детектора определяется по формуле:
Где GBP – это произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ, C D – сумма емкости перехода и усилителя.
Частота модуляции
Спектральная плотность шума большинства детекторов, включая PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеет зависимость вида 1/f (шум уменьшается при увеличении частоты), что оказывает значительное влияние на постоянную времени в области низких частот.
Таким образом, частота модуляции (скорость изменения интенсивности) излучения оказывает влияние на чувствительность прибора. Оптимальные значения характеристик фотоприемника достигаются при частоте:
Срок службы батареи
При использовании фотодетектора, работающего от батареи, важно понимать, каков срок службы аккумулятора и как он влияет на работу детектора. Выходной ток детектора прямо пропорционален потоку падающего излучения. Большинство пользователей преобразуют этот ток в напряжение с помощью согласованной нагрузки. Величина сопротивления приблизительно равна коэффициенту усиления схемы. Для высокоскоростных детекторов, например, таких как , необходимо использовать нагрузку с сопротивлением 50 Ом для согласованности с импедансом стандартных коаксиальных кабелей. Это позволит уменьшить обратные отражения и улучшить качество выходного сигнала.
Срок службы батареи напрямую зависит от тока в детекторе. Большинство производителей батареек выражают срок службы батарейки в мА*ч (миллиампер-час). Например, если аккумулятор рассчитан на 190 мА*ч, он будет работать в течении 190 ч при потреблении тока 1.0 мА.
Пусть источник, излучение которого падает на детектор, работает на длине волны 780 нм со средней мощностью 1мВт. Чувствительность детектора на данный длине волны 0.5 А/Вт. Фототок можно рассчитать по формуле:
Таким образом срок службы батареи равен:
или 16 дней непрерывной работы. При уменьшении средней мощности падающего излучения до 10 мкВт, срок службы той же батарейки увеличится до 4 лет непрерывной работы. При использовании рекомендуемой согласованной нагрузки в 50 Ом, фототок (0.5 мА) преобразуется в напряжение:Если величина мощности падающего излучения уменьшится до 40 мкВт, то выходное напряжение станет равно 1 мВт. Для некоторых измерительных устройств, данное значение может оказаться слишком маленьким, поэтому необходимо искать компромисс между сроком службы батареи и точностью проводимых измерений.
При использовании детекторов на батарейках необходимо использовать излучение малой интенсивности, учитывая минимально необходимый уровень напряжения. Также важно помнить, что батарейка перестанет производить ток не сразу, как только приблизится к концу срока своей службы. Сначала напряжение батарейки упадет, и электрический потенциал, прикладываемый к фотодиоду уменьшится. А это в свою очередь приведет к увеличению времени отклика детектора и уменьшению ширины полосы пропускания.
Таким образом, важно убедиться, что батарейка обеспечивает достаточное напряжение для оптимальной работы детектора.
Для задач, в которых детекторы , облучаются непрерывно источником достаточно высокой мощности, или постоянная замена батарей является неприемлемой, компания Thorlabs предлагает адаптер и источник питания. Недостатком этого варианта является шум, который добавится к выходному сигналу и может увеличить погрешность измерений.
Детекторы на основе сульфида свинца (PbS) и селенида свинца (PbSe) широко используются для регистрации излучения в диапазоне от 1000 до 4800 нм. Тогда как фотодиод генерируют ток под воздействием света, у фоторезистора при облучении изменяется величина сопротивления. Хотя PbS и PbSe детекторы можно использовать при комнатной температуре, температурные флуктуации будут оказывать воздействие на темновое сопротивление, чувствительность и быстродействие прибора.
Принцип работы
При поглощении света в фотопроводящем материале возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости и уменьшению сопротивления. Изменение сопротивления приведет изменению величина измеряемого напряжения. На рис. представлена схема, отражающая принцип работы детекторов на основе фотопроводящих материалов. Следует отметить, что представленная схема не рекомендуется для применения на практике из-за присутствия низкочастотных шумов.
Механизм детектирования основан на проводимости тонкой пленки светочувствительного элемента. Сигнал на выходе детектора при отсутствии падающего излучения определяется уравнением:
Изменение напряжения на выходе ΔV OUT происходит из-за изменения сопротивления ΔR Dark , когда свет попадает на активную область датчика:
Частотная характеристика
Для детекторов зависимость чувствительности от частоты модуляции света имеет вид:
Где f c – частота модуляции, R 0 – чувствительность при частоте 0 Гц, τ r – время нарастания.
Воздействие температуры
Светочувствительный элемент PbS и PbSe детекторов представляет собой тонкую пленку на стеклянной подложке. Форма и активная область фотопроводящего элемента меняются в зависимости от условий эксплуатации, таким образом изменяя и другие характеристики. В частности, чувствительность детектора будет изменяться в зависимости от рабочей температуры.
Охлаждение детектора сместит спектральный диапазон чувствительности в область более длинных волн. Для получения оптимальных результатов рекомендуется использовать представленные детекторы в условиях контроля параметров окружающей среды.
Схема детектора на основе фотопроводящего материала с усилителем
Из-за шумовых характеристик предпочтительнее включение фоторезистора в цепь переменного тока. При включении фоторезистора в цепь постоянного тока шум, обусловленный приложенным напряжением, будет увеличиваться с ростом напряжения, таким образом, ограничивая чувствительность детектора. Для поддержания стабильности характеристик и получения высоких значений коэффициента усиления сигнала необходимо использовать предусилитель.
Согласно схеме (рис. выше), операционный усилитель (ОУ) стремится сравнять потенциалы в точках A и B с помощью контура обратной связи. Разница напряжений на входе ОУ усиливается и передается на выход. Следует отметить, что высокочастотный фильтр на входе усилителя не пропускает сигнал постоянного тока. Кроме того, нагрузочное сопротивление должно быть равно темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Величина напряжения источника питания (+V) должна быть такой, чтобы величина отношения сигнал/шум была оптимальной и приближалась к единице. Некоторые задачи требуют более высокого уровня напряжения, что приведет к увеличению уровня шума. Напряжение на выходе определяется по формуле:
Отношение сигнал/шум
Поскольку уровень шума детектора обратно пропорционален частоте модуляции сигнала, шум будет возрастать на малых частотах. Сигнал на выходе детектора линейно увеличивается при увеличении напряжения смещения, однако шумовые характеристики мало зависят от напряжения смещения при его низком уровне. При достижении определенного уровня напряжения смещения, шум детектора начнет линейно увеличиваться с ростом напряжения. При высоких значениях напряжения шум начнет расти экспоненциально, уменьшая отношение сигнал шум. Для обеспечения оптимального уровня сигнал/шум необходимо регулировать частоту модуляции сигнала и напряжение смещения.
Темновое сопротивление
Темновое сопротивление – это сопротивление детектора при отсутствии освещения. Следует отметить, что темновое сопротивление будет увеличиваться или уменьшается при изменении температуры. Охлаждение детектора будет снижать величину темнового сопротивления.
Обнаружительная способность (D) и удельная обнаружительная способность (D*)
Обнаружительная способность (D) - это еще одна величина, используемая для оценки эффективности фотоприемника. Обнаружительная способность характеризует чувствительность и обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума (NEP):
Чем выше значение обнаружительной способности, тем выше чувствительность, то есть детектор способен регистрировать слабые сигналы. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающих фотонов.
NEP детектора, а следовательно и его обнаружительная способность зависят от активной области, поэтому сравнение свойств двух детекторов является непростой задачей. Чтобы избавится от этой зависимости, используют удельную обнаружительную способность (D*), которая не зависит от площади детектора и используется для оценки эффективности фотоприемника. В уравнении ниже, А – площадь фоточувствительной области.
Двумерные позиционно-чувствительные датчики
Обзор
Двумерные позиционно-чувствительные датчики позволяют измерить положение, расстояние перемещения или углы падения пучка, а также они могут использоваться в качестве обратной связи в системах юстирования, например, для контроля положения зеркал, фокусировки микроскопа, и т.д. Детектор определяет положение светового пятна на основе пропорционального распределения фототока, который генерируется в месте падения светового луча. Существует два типа двумерных позиционно-чувствительных датчиков: с двухсторонним расположением электродов и с четырехсторонним расположением электродов.
Датчики с двухсторонним расположением электродов обладают резистивными слоями, нанесенными с обеих сторон подложки. Датчик имеет четыре вывода. Фототок распределяется на две входных и две выходных компоненты. Распределение выходных токов определяет положение координаты Y, а распределение входных –координаты X положения пучка.
Датчики с четырехсторонним расположением электродов обладают одним чувствительным резистивным слоем, расположенным с одной стороны подложки. Такие датчики значительно дешевле датчиков с двухсторонним расположением электродов. Однако линейность отклика этих датчиков падает по мере удаления пучка от центра. Это связано с расположением анодов по периметру сенсора, особенно нелинейность заметна в углах датчика, где аноды приближаются друг к другу. Компания Thorlabs использует один из вариантов датчиков с четырехсторонним расположением электродов – датчик в форме "подушечки". Модель такого датчика представлена на рисунке сверху. Аноды перемещаются в углы датчика, фигурная форма электродов обеспечивает компенсацию искажений сигнала вблизи периметра. Такая модель обладает линейностью на уровне датчиков с двухсторонним расположением электродов, но значительно меньшей стоимостью.
Принцип вычисления положения луча
PDP90A детектор от компании Thorlabs оснащен схемой для вычисления Δx, Δy и суммы сигналов по формулам:
Согласно этим формулам расстояние в единицах измерения длины можно вычислить с помощью уравнений:
где x и y – это расстояния от центра до края сенсора, Lx и Ly – характерные размеры резистивного слоя. Для PDP90A детектора Lx = Ly = 10 мм. Следует отметить, что размеры резистивного слоя не соответствуют размерам активной области датчика. Активная область обозначена на рисунке серым цветом.
Погрешность определения положения
В отличие от квадрантных датчиков, где требуется перекрытие всех четырех активных областей, представленные датчики позволяют получить информацию о нахождении пучка в любой точке детектора не зависимо от формы, размера и распределения мощности в пучке. Датчик определяет положение центра пятна света до тех пор, пока пятно находится на светочувствительной области. Если часть светового пятна покидает светочувствительную поверхность, это приведет к сдвигу центра, и измерения станут ненадежными.
К ошибкам в измерении положения пучка также может привести уровень внешней освещенности. Для уменьшения погрешностей измерения лучше проводить в темноте. Использование фокусирующей оптики и диафрагм, также позволит снизить ошибки, связанные с внешней освещенностью.
Разрешение
Разрешение позиционно-чувствительного детектора – это минимальное детектируемое смещение светового пятна на поверхности сенсора датчика. Разрешение (ΔR) зависит как от размеров резистивного слоя (L x или L y), так и от отношения сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум этой системы можно определить как отношение суммы выходных сигналов (V o) к напряжению шума (e n). Шум на выходе детектора PDP90A составляет <2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).
Где
ΔR – разрешение,
Lx – характерный размер резистивного слоя,
e n – шумовое напряжение на выходе детектора,
Vo – сумма выходных напряжений.
Для детектора PDP90A:
Для получения оптимальных результатов значение V o необходимо увеличить до 4 В, что обеспечит разрешение детектора на уровне 0.750 мкм. Для этого необходимо следить за суммарным выходным сигналом (SUM) сенсора и одновременно регулировать интенсивность падающего излучения, пока напряжение на выходе не станет равно 4 В. Напряжение более 4 В приведет к насыщению системы и, следовательно, к ошибкам в измерениях. С помощью поставляемого программного обеспечения можно легко осуществлять контроль уровня напряжения. Если суммарное напряжение выше уровня насыщения, то ползунок, отображающий уровень суммарного напряжения, станет красным. В этом случае необходимо уменьшить интенсивность излучения до уровня, при котором цвет ползунка станет зеленым. Данное значение будет соответствовать 4 В выходного напряжения.
Позиционно-чувствительный детектор на основе квадрантных фотодиодов
Сенсор такого детектора состоит из четырех идентичных квадрантных фотодиода, которые разделены зазором ~0.1 мм и вместе образуют круглую зону детектирования для определения положения падающего пучка (в формате 2D). При попадании света на сенсор фототок генерируется в каждой области (на рис. Q1, Q2, Q3 и Q4). На основе этих сигналов с помощью АЦП вычисляются разностные сигналы. Также вычисляется сумма всех четырех сигналов для нормировки. Нормированные координаты (Х, У) положения пучка определяются с помощью уравнений:
Если симметричный пучок падает в центр сенсора, то система на выходе зарегистрирует 4 одинаковых фототока, т.е. разностные сигналы будут равны 0, а нормированные координаты (X, Y) = (0, 0). Фототоки изменятся, если пучок сдвинуть относительно центра. В этом случае разностные токи не будут раны 0.
Детекторы на основе квадрантных фотодиодов очень точные и отлично подходят для систем автоюстировки. Однако необходимо следить за формой и распределением интенсивности в пучке, т.к. данный вид детекторов чувствителен к этим параметрам. Для пучков, распределение мощности в которых не является Гауссовым, центр будет определяется на основе распределения мощности (не геометрический центр пучка). Для таких пучков предпочтительнее использовать детекторы, описанные в предыдущем пункте.
Лавинные фотодиоды в режиме Гейгера обладают способностью детектировать одиночные фотоны. Чувствительность на уровне одиночных фотонов может быть достигнута за счет увеличения напряжения смещения выше напряжения пробоя (т. А на рис.4). Лавинный фотодиод будет оставаться в метастабильном состоянии, пока не поглотиться фотон, который приведет к генерации лавины (т. B). Эта лавина гасится с помощью активной схемы гашения в фотодиоде (т. C), которая понижает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя (V BR).
Рис.4: Вольтамперная характеристика лавинного фотодиода в режиме Гейгера
После этого высокое значение напряжения смещения может быть восстановлено. В течении описанного процесса, которое известно как мертвое время диода, лавинный фотодиод нечувствителен к любым падающим фотонам. Когда диод находится в метастабильном состоянии, возможно спонтанное формирование лавин. Если спонтанное формирование лавин происходит хаотично, то зарегистрированный сигнал называется темновым отсчетом. Если спонтанное формирование лавин по времени коррелирует с импульсами от падающих фотонов, то такой сигнал называется послеимпульсом. Чтобы избежать регистрации послеимпульсов при проведении измерений, можно ввести дополнительное мертвое время программными средствами (с помощью ПО), что приведет к игнорированию счетчиком всех импульсов, возникших в течении этого времени.
Основные характеристики и понятия
Режим Гейгера
В этом режиме диод работает при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Следовательно, одна электрон-дырочная пара (сгенерированная в результате поглощения фотона или тепловых флуктуаций) может вызвать лавинный процесс.
Скорость темнового счета
Это средний показатель зарегистрированных отсчетов при отсутствии падающего излучения, который определяет минимальную скорость счета, при которой зарегистрированный сигнал в основном вызван реальными фотонами. Регистрация ложных фотонов в основном связана с тепловыми флуктуациями и таким образом, ее можно избежать с помощью использования охлаждаемых детекторов
Активное гашение происходит, когда дискриминатор регистрирует возникновение лавинного тока и резко уменьшает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя. При подготовке к регистрации следующего фотона напряжение смещения снова увеличивается до значений выше напряжения пробоя.
Мертвое время – это временной интервал, который необходим детектору для восстановления состояния, при котором он может регистрировать события без искажений. В течении этого времени он не видит падающих фотонов. Часть мертвого времени, связанная с активной схемой гашения, может быть определена как отношение пропущенных фотонов к падающим.
Послеимпульсы
Во время лавинного процесса некоторые заряды могут быть захвачены ловушками. При освобождении эти заряды могут привести к формированию лавины. Такие "ложные события" называют послеимпульсами (Afterpulses). Время жизни таких захваченных зарядов составляет порядка нескольких десятых микросекунды. Следовательно, возникновение послеимпульсов более вероятно непосредственно после импульса от реального фотона.
Основные модели фотодетекторов от компании Thorlabs
В таблице представлены модели фотодетекторов от компании Thorlabs. Модели, расположенные в одной и той же строке, оснащены одинаковыми светочувствительными элементами.
|
Диапазон рабочих длин волн |
Материал | |||||
|
a Калиброванный фотодиод b Корпус TO-46 Принцип работы С момента появления первых коммерческих ФЭУ в 1940 году, этот вид детекторов остается одним из самых популярных при проведении экспериментов, в которых требуется малое время отклика и высокая чувствительность. Сегодня ФЭУ незаменимы при проведении исследований в области аналитической химии, физики элементарных частиц, астрономии, атомной и молекулярной физики, а также в медицине и контроле производственных процессов. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это чувствительные детекторы с высоким коэффициентом усиления, выходной ток которых пропорционален падающему излучению. ФЭУ состоит из стеклянной вакуумной трубки, в которой расположены фотокатод (фотоэмиссионный материал), 8-14 динодов (вторичная эмиссия) и анод (коллектор вторичных электронов). Если фотон с достаточно высокой энергией (т.е. с энергией больше энергии связи электронов материала фотокатода) падает на фотокатод, то он поглощается и испускается электрон (фотоэффект). Поскольку на первом диноде потенциал выше, чем потенциал на катоде (между этими элементами создается разность потенциалов), то выпущенный электрон ускоряется в электрическом поле и направляется на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Как правило, каждый динод обладает потенциалом, который на 100 – 200 В выше, чем потенциал предыдущего динода. Ток анода преобразуют в напряжение, для этого нагрузку с малым сопротивлением включают в цепь между анодом и землей. ФЭУ и от компании Thorlabs используют трансимпедансный усилитель (TIA) для преобразования тока анода (нА или мкА) в напряжение (мВ или В). Модули , и не содержат трансимпедансного усилителя. Например, если ФЭУ состоит из 8 динодов, как показано на рис. ниже и каждый электрон приводит к появлению 4 вторичных электронов, то усиление тока после системы динодов будет составлять 4 8 ≈ 66,000. В приведенном примере, каждый фотоэлектрон приводит к появлению лавины с зарядом Q = 4 8 e, которая приходит на анод. Импульс напряжения при этом равен V = Q/C = 4 8 e /C, где C – емкость анода. Если емкость равна 5 пФ, то напряжение импульса на выходе будет равно 2.1 мВ.
Спектральная чувствительность При выборе ФЭУ необходимо обратить внимание на материал фотокатода, т.к. он определяет длинноволновую границу спектральной чувствительности. Коротковолновая граница определяется материалом окна. Сегодня изготавливают различные виды ФЭУ для работы в диапазоне от УФ до ИК, при этом используют различные материалы фотокатода, каждый из который предназначен для работы в определенном спектральном диапазоне. Квантовая эффективность (QE) – это величина, выражаемая в %, которая характеризует способность ФЭУ преобразовывать падающие фотоны в электроны. Например, QE равно 20%. Это означает, что один из 5 фотонов, падающих на фотокатод, приведет к появлению фотоэлектронов. Для задач счета фотонов, желательно иметь ФЭУ с высоким показателем квантовой эффективности. Поскольку QE зависит от длины волны, необходимо подобрать ФЭУ, с максимальной квантовой эффективностью в интересующем спектральном диапазоне. Следует отметить, что фотокатоды для видимой области спектра, как правило, обладают QE <30%. Вычислить квантовую эффективность ФЭУ можно по формуле:
где S – это интегральная чувствительность [А/Вт], λ – длина волны [нм]. Конфигурация ФЭУ Доступны две основные конфигурации ФЭУ: входное окно располагается на торце или на боковой стенке вакуумной колбы. В случае, когда входное окно расположено на торце, ФЭУ оснащен полупрозрачными фотокатодами и характеризуется большой площадью активной области, пространственной однородностью, и более высокой производительностью в синей и зеленой областях спектра. Такая конфигурация предпочтительнее для применений, требующих широкой спектральной чувствительности, таких как спектроскопия. В ФЭУ с боковым окном используют непрозрачные фотокатоды, такая конфигурация чаще всего используется при работе в УФ и ИК диапазоне. Конфигурация с боковым окном дешевле, чем конфигурация с окном на торце, и часто используется для задач, требующих высокой квантовой эффективности, таких как сцинтилляционные измерения. 8-14 динодов располагают линейно или по кругу. При линейном расположении (как показано на рис.) ФЭУ обладает малым временем отклика, высоким разрешением и линейностью. Диноды располагаются по кругу в ФЭУ с боковым окном и в некоторых ФЭУ с торцевым окном, при этом система обладает компактными размерами и малым временем отклика. Коэффициент усиления ФЭУ – уникальны, так как способны усиливать очень слабые сигналы от фотокатода до детектируемого уровня выше шума считывания без внесения существенных помех. За усиление сигнала в ФЭУ отвечают диноды, и коэффициент усиления зависит от прилагаемого напряжения. ФЭУ может работать при напряжениях, превышающих значения, рекомендуемые производителем, обеспечивая при этом коэффициент усиления в 10-100 раз выше указанного в спецификации. При работе в таком режиме на ФЭУ не оказывается негативного влияния, если ток анода ниже предельно допустимых значений. Темновой ток В случае идеального ФЭУ, все сигналы, производимые фотокатодом, являются следствием попадания в трубку света. Однако, настоящие ФЭУ генерируют ток даже в отсутствии падающего излучения. Сигнал, генерируемый ФЭУ в отсутствии света, называется темновым током. Этот сигнал сильно снижает отношение сигнал/шум ФЭУ. Темновой ток главным образом обусловлен термоэлектронной эмиссией электронов из фотокатода и нескольких первых динодов, и в меньшей степени космическими лучами и радиацией. ФЭУ, разработанные для применений в красной области спектра, обладают более высокими значениями темнового тока, чем другие ФЭУ, за счет малых значений энергии связи электронов в фотокатодах, обладающих чувствительностью в красной области спектра. Термоэлектронная эмиссия зависит от температуры фотокатода и работы выхода, а значит охлаждение ФЭУ может значительно снизить темновой ток. При использовании ФЭУ с термоэлектрическим охлаждением следует избегать конденсации на входном окне, так как влага уменьшит количество света, падающего на фотокатод. Кроме того, необходимо избегать чрезмерного охлаждения, так как это может привести к негативным последствиям: уменьшение уровня сигнала или напряжения на катоде, т.к. сопротивление катодной пленки обратно пропорционально температуре. Время Нарастания Для экспериментов, требующих высокого временного разрешения, время нарастания должно быть коротким. Время нарастания импульса тока анода чаще всего используется в качестве характеристики быстродействия ФЭУ. В конечном счете, время нарастания импульса определяется временем распространения разных электронов. Оно отличается по нескольким причинам. Во-первых, начальные скорости вторичных электронов различаются. т.к. они выбиваются из разных по глубине мест материала динодов. Некоторые электроны вылетая обладают ненулевой начальной энергией, поэтому достигнут следующего динода за более короткое время. Время пролета электронов также будет зависеть от длины пути. В результате всех этих эффектов, время нарастания импульса анодного тока будет уменьшаться с увеличением напряжения как V -1/2 . Другие факторы При работе с ФЭУ следует тщательно выбирать электронику, которая будет использоваться. Даже небольшие флуктуации высокого напряжения, прилагаемого между катодом и анодом могут сильно повлиять на выходной сигнал. Кроме того, условия окружающей среды также могут влиять на работу ФЭУ. Изменения температуры и влажности, а также вибрации негативно влияют на производительность ФЭУ. Корпус ФЭУ также имеет большое значение, он не только защищает трубку от постороннего света, но и снижает влияние внешних магнитных полей. Поле с магнитной индукцией в несколько гауссов, может уменьшить коэффициент усиления. Этого можно избежать путем использования магнитного экрана из материала с высокой магнитной проницаемостью. | ||||||
