Hallo liebes Forum, ich würde gerne die Sperrschichtkapazität meiner Photodiode (PDB-C107 https://lunainc.com/wp-content/uploads/2016/06/Photodiode_PDBC107.pdf) vermessen. Diese wird in einem TIA-Schaltkreis im Quasi-Kurzschluss betrieben, also ohne Vorspannung. Im Datenblatt ist leider nur eine Angabe bei einer Vorspannung von 10V bei einer Frequenz von 1MHz. Dort liegt sie bei 100pF. Ohne Vorspannung müsste der Wert ja viel größer sein. Außerdem hätte ich das Ganze gerne bei 1kHz. Hat jemand von euch einen Ansatz wie man das macht? Meine zugegeben etwas laienhafte Internetrecherche hat leider zu keinem vernünftigen Ergebnis geführt. Vielen Dank! :)
Bin kein Experte, aber ich würde es über die Impdanz bei Kleinsignal (<100mV) probieren. Hast du einen Frequenzgenerator? Dann würde ich versuchen, 10k in Serie zu schalten und dann reinen AC-Sinus einspeisen und die Amplitude solange aufdrehen, bis 50 oder 100mV an der Diode erreicht sind. Du musst die Amplitude an der Diode und die vor dem Vorwiderstand messen. Ich würde mit 100kHz messen, da haben 100pF 15k Impedanz. Daraus kann man das Z und daraus das C berechnen. Siehe auch: https://www.loetstelle.net/grundlagen/rcglied/rcglied.html Vergiss nicht, die Kapazität des Tastkopfs zu berücksichtigen. Die steht im Datenblatt. Der Widerstand des Tastkopfs ist eher vernachlässigbar.
Warum willst du bei 1KHz messen? Nimm einen Sinusgenerator(Funktionsgenerator) und ein AC-Voltmeter oder ein Oszilloskop. Generator(20mV) ----Ck(100nF)----47kOhm --- Cx---Masse Die Spannung am Generator messen und die Spannung mit und ohne Cx hinter dem Widerstand messen. Aus den gemessenen Spannungen die Kapazität berechnen. Dabei muss man natürlich den Eingangswiderstand und die Eingangskapazität des Messinstruments berücksichtigen. Den Widerstand(47kOhm?) so bemessen, dass die Spannung an Cx ungefähr 30% bis 60% der Generatorspannung beträgt damit die Messfehler nicht unnötig die Genauigkeit der Bestimmung der Kapazität verschlechtern.
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In der Spec. steht u.a.: Response Time bei 10 V Sperrspannung = 190 ns bei 0 V Sperrspannung = 13 ns Bei 10 V soll die Sperrschicht Kapazität 100 pF sein => bei 0 V dürfte sie in der Gegend von 100pF*190ns/13ns≈ 1,5nF liegen.
Elektrofan schrieb: > In der Spec. steht u.a.: > > Response Time > bei 10 V Sperrspannung = 190 ns > bei 0 V Sperrspannung = 13 ns > > Bei 10 V soll die Sperrschicht Kapazität 100 pF sein => > bei 0 V dürfte sie in der Gegend von > > 100pF*190ns/13ns≈ 1,5nF > > liegen. Faktor 15 bei der Kapazität kommt mir zu groß vor. Faktor 5 hätte ich ja noch geglaubt.
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Die Kapazität hängt nur sehr wenig von der Frequenz ab. D.h man kann die Messung auch mit höherer Frequenz oder niedrigerer machen. Niedriger wäre ggf. einfacher weil man dann den TIA als fast ideal annehmen kann. Wenn man den TIA schon hat, kann man den zur Strommessung nutzen und einfach die Spannung an der Seite der Diode, die sonst auf GND geht langsam modulieren.
Helmut S. schrieb: > Faktor 15 bei der Kapazität kommt mir zu groß vor. Das kommt schon hin, die Kennlinie ist stark nichtlinear. Wenn nur 1kHz gefordert sind, spielen die 1,5nF eh keine Rolle.
Peter D. schrieb: > Helmut S. schrieb: >> Faktor 15 bei der Kapazität kommt mir zu groß vor. > > Das kommt schon hin, die Kennlinie ist stark nichtlinear. > > Wenn nur 1kHz gefordert sind, spielen die 1,5nF eh keine Rolle. Ich habe gerade ein Datenblatt mit der C-Kurve gefunden. https://media.digikey.com/pdf/Data%20Sheets/Photonic%20Detetectors%20Inc%20PDFs/PDB-C107.pdf 10V C10 ca. 90pF 0V C0 ca. 335pF Das wäre dann ca. Faktor 4 des Verhältnisses C0/C10. Ich empfehle für eine Simulation bei 10V Sperrspannung 100pF und für 0V Sperrspannung 400pF.
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Erstmal vielen Dank für die Kommentare! Die Einsatzfrequenz ist bei etwa 1kHz, deshalb in diesem Bereich. Aber wenn die Kapazität sich sowieso nur ganz minimal aufgrund der Frequenz in diesem Bereich ändert, ist das ja wurscht. Ich habe das ganze mal nach dem Bild im Anhang gemessen und auch angegebene Ergebnisse erhalten. Das Tiefpass-System müsste jetzt theoretisch nach Cx umgestellt werden, wenn ich das richtig verstanden habe. Ich habe noch 2 Fragen: 1. Was hat es mit den Helmut S. schrieb: > Ck(100nF) auf sich, bzw. wie müsste dieser mit eingerechnet werden? 2. Warum muss die Ausgangsspannung einmal mit und einmal ohne Cx gemessen werden? Ich habe die Messung jetzt aufgrund der Verfügbarkeit mit einer anderen Photodiode (PDB-C613-2) gemacht. Das Prinzip änder sich ja nicht.
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Dein Messaufbau sieht so wie im angehängten Bild aus, falls deine Probe auf 10:1 stand. Bei Stellung 1:1 ist der 9MOhm Widerstand gebrückt. Die Probe hat aber niemals 47pF, wenn die auf 10:1 steht. Zeig mal einen Auszug aus dem Datenblatt der Probe. Hast du mit 10:1 oder wegen der kleinen Spannung mit Stellung 1:1 gemessen?
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Guten Morgen, ja korrekt, mein Fehler. Ich habe mit 1:1 gemessen. Dann wird also aus dem R2 in deinem Schaltbild ein Leerlauf, der mit C3 gebrückt wird und damit gibt es in der Hinsicht keinen Spannungsteiler mehr. (die Probe ist die TT-LF 312 von Testec https://www.testec.de/assets/pdf/TT-MF/TT-MF-312_Datasheet_DE.pdf) Die Kabelkapazität Ck hätte ich vielleicht mit 100pF/m angenommen (RG58 Koaxkabel). Wieso würdest du diese mit 100nF annehmen? Helmut S. schrieb: > Das wäre dann ca. Faktor 4 des Verhältnisses C0/C10. Das mit dem Faktor 4 kommt mir sogar irgendwie bekannt vor, als hätte ich das schon mal irgendwo gelesen. Die Photodiode vermesse ich im Dunkeln, damit die Lichteinstrahlung keine Einwirkung hat.
Lurchi schrieb: > Die Kapazität hängt nur sehr wenig von der Frequenz ab. D.h man kann die > Messung auch mit höherer Frequenz oder niedrigerer machen. Lässt sich abschätzen wie wenig die Sperrschichtkapazität von der Frequenz abhängt? Also z.B. zwischen DC und 10kHz ist die Änderung < X%.
> Dann wird also aus dem R2 in deinem Schaltbild ein Leerlauf
Falsch.
Der C3 wird kurzgeschlossen, wenn die Probe auf 1:1 gestellt wird.
TT-LF312
Die 47pF sind dann Ck+C4 in meiner Zeichnung.
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ich würde zwei dieser Dioden in Serie schalten. Anode mit Anode verbunden. Dann diese Anordnung in eine Brücke schalten und die Spannung der Brücke mit bekannten C's auf ein Minimum abgleichen. Kapazität der einzelnen Dioden ist wegen der Serienschaltung doppelt groß.
GEKU schrieb: > ich würde zwei dieser Dioden in Serie schalten. Anode mit Anode > verbunden. > > Dann diese Anordnung in eine Brücke schalten und die Spannung der Brücke > mit bekannten C's auf ein Minimum abgleichen. Kapazität der einzelnen > Dioden ist wegen der Serienschaltung doppelt groß. Ah ok. Leider habe ich nur eine Diode zur Verfügung. :/
Helmut S. schrieb: > Der C3 wird kurzgeschlossen, wenn die Probe auf 1:1 gestellt wird. > > TT-LF312 > Die 47pF sind dann Ck+C4 in meiner Zeichnung. Alles klar. Ich rechne mal ein wenig rum und schaue ob was logisches raus kommt und würde mich dann nochmal melden.
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ElecEddy R. schrieb: > GEKU schrieb: >> ich würde zwei dieser Dioden in Serie schalten. Anode mit Anode >> verbunden. >> >> Dann diese Anordnung in eine Brücke schalten und die Spannung der Brücke >> mit bekannten C's auf ein Minimum abgleichen. Kapazität der einzelnen >> Dioden ist wegen der Serienschaltung doppelt groß. > > Ah ok. Leider habe ich nur eine Diode zur Verfügung. :/ Es funktioniert auch mit einer Diode bei 100mV Eingangsspannung. Man braucht die Spannung zwischen Vout1 und Vout1 nicht genau messen, sondern man muss das Minimum ermitteln. Z.B. Differenzmessung mit zwei Oszilloskop Proben. Es ist auch möglich mittels OP die Differenzspannung zu verstärken. Die mit der Simulation ermittelten 80p stimmen mit dem Datenblatt gut überein.
Nochmal Danke für die Vorschläge! Ich hab es jetzt über die erste Variante rückgerechnet und komme auf ca. 1,4nF bei der PDB-C613-2. Das entspricht auch etwa dem Faktor 4, wenn man von den im Datenblatt mit 350pF (@10V reverse bias) ausgeht.
ElecEddy R. schrieb: > Lurchi schrieb: >> Die Kapazität hängt nur sehr wenig von der Frequenz ab. D.h man kann die >> Messung auch mit höherer Frequenz oder niedrigerer machen. > > Lässt sich abschätzen wie wenig die Sperrschichtkapazität von der > Frequenz abhängt? Also z.B. zwischen DC und 10kHz ist die Änderung < X%. Die einfachen Modelle haben gar keine Frequenzabhängigkeit drin. Ein kleiner Effekt könnte durch Rekombinationszentren und ähnliche Niveaus in der Bandlücke kommen. Viel sollte das aber nicht sein, denn die Verunreinigungen sollten deutlich seltener sein als die übliche Dotierung. Für eine schnelle (kurze reverse recovery Zeit) Diode könnte das so grob aus dem Bauch geschätzt vielleicht 1 % ausmachen zwischen DC und 10 MHz. Photodioden sind üblicherweise aus sehr reinem Material und der Effekt sollte einiges kleiner sein - vermutlich kaum zu messen. Die Kapapazität sollte auch noch etwas von der Temperatur abhängen. Soweit ich mich erinnere verschiebt sich die Spannung für konstante Kapazität um etwa -2 mV/K (so wie die Vorwärtsspannung), was dann etwa +0.3 %/K für die Kapazität bei Null Spannung ausmachen sollte.
Helmut S. schrieb: > Dein Messaufbau sieht so wie im angehängten Bild aus, falls deine Probe > auf 10:1 stand. Bei Stellung 1:1 ist der 9MOhm Widerstand gebrückt. > > Die Probe hat aber niemals 47pF, wenn die auf 10:1 steht. > > Zeig mal einen Auszug aus dem Datenblatt der Probe. > > Hast du mit 10:1 oder wegen der kleinen Spannung mit Stellung 1:1 > gemessen? Eine Frage doch noch zum ESB. Spielt nicht die Shuntresistance der Photodiode auch eine Rolle? Bei den kleinen Spannungen müsste diese ja relativ hoch sein, oder?
ElecEddy R. schrieb: > Helmut S. schrieb: >> Dein Messaufbau sieht so wie im angehängten Bild aus, falls deine Probe >> auf 10:1 stand. Bei Stellung 1:1 ist der 9MOhm Widerstand gebrückt. >> >> Die Probe hat aber niemals 47pF, wenn die auf 10:1 steht. >> >> Zeig mal einen Auszug aus dem Datenblatt der Probe. >> >> Hast du mit 10:1 oder wegen der kleinen Spannung mit Stellung 1:1 >> gemessen? > > Eine Frage doch noch zum ESB. Spielt nicht die Shuntresistance der > Photodiode auch eine Rolle? Bei den kleinen Spannungen müsste diese ja > relativ hoch sein, oder? Der Shunt-Widerstand ist bei der Photodiode PDB-C613-2 ca. 1MOhm. Ein paar Prozent Fehler kann das bei der Kapazitätsbestimmung schon geben, wenn man mit einem Serienwiderstand von mehreren 10kOhm arbeitet. https://lunainc.com/wp-content/uploads/2016/06/PDB_C613_2.pdf
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Da hast du auch wieder recht. Nur fürs Verständnis: Das wären dann ja die 44kOhm im Verhältnis zu den 1M//(1M Eingangswdst. Oszi). Also 44kOhm zu 500kOhm, sprich rund 8% Fehler.
ElecEddy R. schrieb: > Da hast du auch wieder recht. > > Nur fürs Verständnis: > > Das wären dann ja die 44kOhm im Verhältnis zu den 1M//(1M Eingangswdst. > Oszi). > > Also 44kOhm zu 500kOhm, sprich rund 8% Fehler. Zumindest den Einfluß des 1MegOhm Eingangswiderstands vom Oszilloskop kann man in der Berechnung der Kapazität gleich berücksichtigen. Damit verursacht nur der Shunt-Widerstand einen unbekannten Fehler bei der Berechnung der Kapazität.
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