Was sind die typischen Schaltungskonfigurationen für eine digitale Fotodiode?

Hallo! Als Lieferant digitaler Fotodioden habe ich aus erster Hand gesehen, wie diese winzigen, aber leistungsstarken Komponenten eine entscheidende Rolle in allen möglichen Anwendungen spielen, von der optischen Kommunikation bis zur industriellen Sensorik. Heute werde ich Sie durch einige typische Schaltungskonfigurationen für eine digitale Fotodiode führen.

Grundlegende Funktionsweise digitaler Fotodioden

Bevor wir uns mit den Schaltungskonfigurationen befassen, werfen wir einen kurzen Blick auf die Funktionsweise digitaler Fotodioden. Eine Fotodiode ist ein Halbleiterbauelement, das Licht in elektrischen Strom umwandelt. Wenn Photonen auf die aktive Fläche der Fotodiode treffen, erzeugen sie Elektron-Loch-Paare. Diese Paare werden dann durch das eingebaute elektrische Feld der Fotodiode getrennt und erzeugen einen Strom, der proportional zur einfallenden Lichtintensität ist.

Bei digitalen Anwendungen geht es uns in der Regel eher darum, die Anwesenheit oder Abwesenheit von Licht zu erkennen, als die genaue Lichtintensität zu messen. Daher muss der Ausgang der Fotodiode aufbereitet werden, um ein digitales Signal (hoch oder niedrig) zu erzeugen, das von anderen digitalen Schaltkreisen problemlos verarbeitet werden kann.

Gemeinsame Schaltungskonfigurationen

Fotodiode im Photovoltaik-Modus

Im Photovoltaik-Modus wird die Photodiode ohne externe Vorspannung betrieben. Wenn Licht auf die Fotodiode trifft, erzeugt diese an ihren Anschlüssen eine Spannung, ähnlich einer kleinen Solarzelle. Der durch den Lastwiderstand fließende Strom ist durch den Kurzschlussstrom der Fotodiode gegeben.

Der Vorteil dieser Konfiguration ist ihre Einfachheit und der geringe Stromverbrauch. Allerdings ist die Ausgangsspannung relativ gering, typischerweise im Bereich von einigen hundert Millivolt. Dies erfordert möglicherweise zusätzliche Verstärkungsstufen, um mit digitalen Schaltkreisen kompatibel zu sein.

Hier ist ein einfaches Schaltungsbeispiel. Wir verbinden die Fotodiode direkt mit einem Lastwiderstand. Wenn Licht auf die Fotodiode fällt, fließt ein Strom durch den Widerstand und erzeugt einen Spannungsabfall. Diese Spannung kann in einen Komparator eingespeist werden. Wenn die Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, gibt der Komparator ein hohes digitales Signal aus; andernfalls wird ein Low-Signal ausgegeben.

Fotodiode im fotoleitenden Modus

Im fotoleitenden Modus wird eine Sperrspannung an die Fotodiode angelegt. Dadurch wird die Breite des Verarmungsbereichs vergrößert, was wiederum die Sperrschichtkapazität verringert und die Ansprechgeschwindigkeit der Fotodiode verbessert.

Die umgekehrte Vorspannung erhöht auch das elektrische Feld im Verarmungsbereich, wodurch die erzeugten Elektron-Loch-Paare schneller herausgespült werden. Dadurch kann die Fotodiode auf Hochgeschwindigkeitslichtsignale reagieren und eignet sich daher für Hochfrequenzanwendungen wie die optische Kommunikation.

Um den Photostrom in eine Spannung umzuwandeln, verwenden wir normalerweise einen Transimpedanzverstärker (TIA). Ein TIA nimmt den Eingangsstrom von der Fotodiode auf und wandelt ihn in eine Ausgangsspannung um. Die Verstärkung des TIA wird durch den Rückkopplungswiderstand bestimmt.

Zum Beispiel in unseremTO46 155M – 10G APD – TIABei diesem Produkt wird die Avalanche-Photodiode (APD) im photoleitenden Modus mit einer TIA verwendet. Der APD verfügt über eine hohe interne Verstärkung, die den Fotostrom verstärkt, bevor er den TIA erreicht. Dies ermöglicht eine hochempfindliche Erkennung schwacher optischer Signale.

PIN-Fotodiode mit TIA-Konfiguration

Eine PIN-Fotodiode ist eine Art Fotodiode mit einer intrinsischen (i)-Schicht zwischen den Halbleiterschichten vom p- und n-Typ. Die intrinsische Schicht vergrößert die Breite des Verarmungsbereichs, was die Quanteneffizienz und Reaktionsgeschwindigkeit der Fotodiode verbessert.

In Kombination mit einem TIA kann eine PIN-Fotodiode eine schnelle und lineare Reaktion auf Lichtsignale ermöglichen. Der TIA wandelt den Fotostrom der PIN-Fotodiode in eine Spannung um, die von digitalen Schaltkreisen weiterverarbeitet werden kann.

UnserTO46 155M – 10G PIN – TIADas Produkt ist ein großartiges Beispiel für diese Konfiguration. Es wurde für optische Hochgeschwindigkeitskommunikationsanwendungen entwickelt, bei denen eine schnelle und genaue Erkennung digitaler optischer Signale unerlässlich ist.

Avalanche Photodiode (APD) mit TIA-Konfiguration

Eine APD ist eine spezielle Art von Fotodiode, die durch den Lawinenmultiplikationseffekt eine interne Verstärkung liefern kann. Wenn ein Photon in der APD ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, führt das hohe elektrische Feld im Verarmungsbereich dazu, dass die Träger genügend Energie gewinnen, um durch Stoßionisation zusätzliche Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Dadurch kommt es zu einer Vervielfachung des Photostroms.

Durch die Kombination eines APD mit einem TIA kann die Empfindlichkeit des Fotodetektors erheblich verbessert werden. Allerdings benötigen APDs im Vergleich zu PIN-Fotodioden eine höhere Vorspannung und weisen auch einen höheren Rauschpegel auf. Aber bei Anwendungen, bei denen die Erkennung sehr schwacher optischer Signale von entscheidender Bedeutung ist, wie etwa bei der optischen Kommunikation über große Entfernungen, überwiegen die Vorteile der Verwendung eines APD die Nachteile.

Auswahl der richtigen Schaltungskonfiguration

Die Wahl der Schaltungskonfiguration hängt von mehreren Faktoren ab, beispielsweise den Anwendungsanforderungen, der Art der Fotodiode und der verfügbaren Stromversorgung.

Wenn Sie an einer Anwendung mit geringem Stromverbrauch und niedriger Geschwindigkeit arbeiten, ist der Photovoltaikmodus möglicherweise eine gute Wahl. Es ist einfach und erfordert keine externe Vorspannung.

Für Hochgeschwindigkeitsanwendungen wie die optische Kommunikation wird normalerweise der fotoleitende Modus mit TIA bevorzugt. Ob Sie sich für eine PIN-Fotodiode oder eine APD entscheiden, hängt von der erforderlichen Empfindlichkeit ab. Wenn Sie sehr schwache Signale erkennen müssen, ist ein APD mit TIA die richtige Wahl.

Abschluss

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es mehrere typische Schaltungskonfigurationen für digitale Fotodioden gibt, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Als Lieferant digitaler Fotodioden bieten wir eine breite Produktpalette an, darunterTO46 155M – 10G APD – TIAUndTO46 155M – 10G PIN – TIA, um unterschiedliche Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Wenn Sie auf dem Markt für digitale Fotodioden sind oder Fragen zu Schaltungskonfigurationen haben, zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren. Wir sind hier, um Ihnen zu helfen, die beste Lösung für Ihr Projekt zu finden. Lassen Sie uns über Ihre Anforderungen sprechen und sehen, wie wir zusammenarbeiten können!

Referenzen

• Sze, SM, & Ng, KK (2007). Physik von Halbleiterbauelementen. Wiley.
• Palik, ED (Hrsg.). (1998). Handbuch der optischen Konstanten von Festkörpern. Akademische Presse.