Hallo zusammen,
ich habe eine Frage zum Thema "Linearität von Photodioden".
Im Handbook Si Photodiode von Hamamatsu
(https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/e02_handbook_si_photodiode.pdf)
wird die Sättigungsleistung in Gleichung 4, Seite 5 angegeben. Streicht
man S(lambda) aus der Gleichung erhält man den Sättigungsstrom. Dieser
scheint abhängig zu sein von der Summe aus Lastwiderstand und
Serienwiderstand, sowie der "contact Voltage" die mit 0.2..0.3V
angegeben wird, sowie der Reverse Voltage.
Isat = (V_bi + V_R)/(R_s+R_L )
Betreibe ich die Diode in einem TIA wird die Diode quasi
kurzgeschlossen, es ist nur noch die Eingangsimpedanz von wenigen Ohm
wirksam, in Serie mit dem Serienwiderstand der Diode. Die Spannung über
der Diode sollte nahezu komplett kurzgeschlossen sein. Dies bringt Laut
der Gleichung, Zähler ist ja quasi Null, Nenner ist bei einigen 10...100
Ohm, verschwindend geringe Sättigungsströme.
D.h. die Gleichung kann eigentlich nicht für den Betrieb mit einem TIA
gelten sondern nur für Fig 1-9 a) oder? Welche physkikalische aussage
hat sie hier? Ist mit V_bi die Spannung gemeint, aber der der Forward
Bias der Diode einsetzt und der Strom dadurch Limitiert dass der
Spannungsabfall an Rs und Rl dann die gesamte Vorspannungsreserve aus
V_bi und V_r aufgebraucht hat?
Falls ja, welche Mechanismen begrenzen die Linearität im TIA-Betrieb?
Grüße und Danke
> Isat = (V_bi + V_R)/(R_s+R_L )
Was soll denn Isat sein. Deise Gleichung stimmt doch überhaupt nicht und
die steht auch nicht in dem PDF.
https://www.hamamatsu.com/resources/pdf/ssd/e02_handbook_si_photodiode.pdf
Schau dir einfach das Ersatzschaltbild an.
Der Photostrom IL teilt sich auf die Diode, den Rsh und (Rs+RL) auf.
Beim TIA ist die Spannung an der externen Last RL 0V. Solange IL*Rs
kleiner 0,wenig Volt ist, fließt praktisch kein Strom durch die Diode
sondern der gesamte Strom IL fließt zum Ausgang.
Nur bei relativem hohem Photostrom IL muss man eine kleine Vorspannung
in Sperrichtung geben, damit der Strom durch die Diode vernachlässigbar
bleibt. Erst wenn IL*Rs größer der Vorspannung wird, geht ein Teil des
Stromes durch die Diode verloren. Das ist der Teil mit Is*e^(Ud/ut) in
den Formeln.
Der Grund warum man öfters Vorspannungen von mehreren Volt in den
Schaltungen findet liegt daran, dass man in einigen Anwendungen die
Kapazität der Photodiode verringern möchte um eine höhere Bandbreite zu
erreichen.
Nein, ein TIA hat die Photodiode nicht kurzgeschlossen. Ein TIA ist ein
Stromverstaerker, und woher der Strom kommt ist erst mal egal. Zb auf
einer vorgespannten Photodiode.
Weg mit dem Troll ! Aber subito schrieb:> Nein, ein TIA hat die Photodiode nicht kurzgeschlossen. Ein TIA ist ein> Stromverstaerker, und woher der Strom kommt ist erst mal egal. Zb auf> einer vorgespannten Photodiode.
Jedem ist eigenlich klar was hier mit Kurzschluss gemeint ist. Also
bitte keine Wortglauberei.
Dann nenn es halt etwas genauer: Die Photodiode arbeitet beim TIA im
Kurzschlussbetrieb.
Man sollte sich vergegenwärtigen wie eine Photodiode funktioniert. Das
Licht erzeugt Ladungspaare in der Sperrschicht. Durch Anlegen einer
Vorspannung werden diese auseinander gezogen. Also... für sinnvolle
Messungen nimmt man immer eine Vorspannung. Dann ist der Strom
proportional zum Licht bis zum Saettigungsstrom. Oder so etwa.
Aeh.. Kurzschluss bedeutet fuer mich Spannung=0. Das waere dann der
Solarzellen Betrieb. Damit macht man die Kapazitaet weg. Einfach die
Photodiode zwischen + & - Eingang des OpAmps.
> Also... für sinnvolle Messungen nimmt man immer eine Vorspannung.
Diese Aussage ist falsch. Wer den möglichst kleinen Dunkelstrom
benötigt, der lässt die Vorspannung tunlichts weg und kompensiert sogar
die Offsetspannung des TIAs um wirklich 0V Vorspannung zu bekommen.
Ich hoffe der Fraghesteller ignoriert deine falschen Aussagen.
Der Kurzschlussfall is (1-6)b, der vorgespannte Fall ist (1-9)b
Der Poster kann sich die Text dazu lesen.
Wenn das Wort Saettigungsstrom faellt, geht's um das Zweite.
Helmut S. schrieb:> Diese Aussage ist falsch. Wer den möglichst kleinen Dunkelstrom> benötigt, der lässt die Vorspannung tunlichts weg und kompensiert sogar> die Offsetspannung des TIAs um wirklich 0V Vorspannung zu bekommen.>> Ich hoffe der Fraghesteller ignoriert deine falschen Aussagen.
Tut er ;) ich bin durchaus Fit mit Optik und Photonik aller Art - ist
mein täglich Brot. Mein einziges Problem ist eine verlässliche Quelle
oder konkretes Verständnis für die begrenzenden Mechanismen der
Linearität. Darüber finde ich auch keine vernünftigen Paper oder
Informationen bei den Lieferanten.
Da ich Präzisionsphotometrie Betreibe versteht sich der
Photovoltaikbetrieb wegen geringem Dunkelstrom von selbst. Vorspannen
würde man nur bei großen Bandbreiten um die Sperrschichtkapazität zu
reduzieren. Klar, die Kapazität ist auch wichtig fürs Noise-Gain, das
kann man aber auch über Bootstrapping oder einen J-Fet isolieren.
Ich vermute dass es Effekte gibt bei großen Stromdichten in der
Diode..allerdings bräuchte ich das alles ein bisschen konkreter. Leider
wird das für Dioden nie wirklich angegeben.
Grüße und Danke
Links / Zitate zur Nichtlinearität kann ich leider auch nicht geben. Das
ist in der Regel eher schlecht dokumentiert. Ich habe man für meine
Diplomarbeit danach gesucht und auch ein paar Messungen gemacht: die
Linearität ist i.A. recht gut, nur bei einer Polycristallinen Solarzelle
konnte ich so etwas sehen.
Vor der theoretischen Seite sind das i.A. erst kleinere Effekte die für
nichtlinearität sorge. Da ist als einfacher Fall die Erwärmung durch die
Strahlung. Es braucht da aber schon höhere Leistung um eine deutliche
Erwärmung zu erhalten.
Mikroskopisch gibt es Rekombninationskanäle die bei höherer Intensität
sättigen. D.h. bei hoher Intensität werden einige der Störstellen /
Verunreinigungen ggf. etwas weniger effektiv darin den Photostrom zu
reduzieren. Das sollte vor allem die Empfindlichkeit an der langwelligen
Grenze beeinflussen weil da mehr vom Photostrom verloren geht. Gerade
bei guten Photodiode sollte der Effekt klein sein.
Ein weiterer möglicher Effekt sind langlebige Störstellen, die den
Einfluss der Oberfläche verstärken oder abschwächen können. Das sollte
vor allem eher kurzwelliges Licht betreffen.
Im Zweifelsfall müsste man die Linearität der Sensoren nachmessen, was
aber alles andere als einfach ist, wenn es um kleine nichtlineare
Effekte geht.
Lurchi schrieb:> Im Zweifelsfall müsste man die Linearität der Sensoren nachmessen, was> aber alles andere als einfach ist, wenn es um kleine nichtlineare> Effekte geht.
Genau das ist das Problem. Es ist gar nicht so einfach eine Beleuchtung
zu realisieren die diesen Dynamikumfang mit hinreichender Genauigkeit
abdeckt.
Ich habe mir hier mit Chemie beholfen -> Verdünnungsreihe, allerdings
ist man da auch schnell an der Fehlergrenze und auch die Absorbance ist
nicht so linear wie man denkt.
Nach meiner Recherche sind alle Linearitätsangaben auf Betrieb mit
Lastwiderstand gemünzt. Beim TIA-Betrieb werden keine Begrenzenden
Mechanismen angegeben - die aus dem Lastwiederstandsbetrieb greifen
nicht.
Ein Wg die Linearität zu testen ist es den Test für den Detektor und den
TIA zusammen zu manchen. Für die spätere Anwendung braucht man
schließlich auch die beiden zusammen. Etwas Vorspannung könnte helfen,
einfach um aus der Krümmung der U/I Kennlinie heraus zu kommen, für den
Fall dass sich trotz TIA die Spannung an der Diode selber doch etwas
verschiebt.
Es ist durchaus möglich das der TIA eher an die Grenzen kommt als die
Photodiode - etwa über die Eigenerwärmung des Widerstandes.
Für den Test kann man z.B. zwei Signale überlagern, mit licht aus leicht
unterschiedlicher Richtung. Etwa eine LED für ein Wechselsignal und dann
kräftiges (z.B. volles Sonnenlicht oder etwas mehr) zusätzliches Licht,
das mal da ist und mal nicht. Nichtlinearität bei hoher Intensität würde
man dann als eine Änderung der Amplitude sehen.
Das AC Signal ließe sich per Kondensator abkoppeln und per Lock-in
Technik auch genau messen. Einfach nur ein DMM könnte da täuschen, weil
das 2. Signal auch zu mehr Rauschen führen wird.
Zu kleiner Intensität sollte die Linearität eher nicht das Problem sein.
Wenn es sein muss könnte man aber einen ähnlichen Versuch noch einmal
bei wenig Licht, wohl mit einem größeren Widerstand am TIA wiederholen.
Für die Linearitätsmessung kann man als Licht-Abschwächer Lochbleche
verwenden, für große Extinktionen auch Bleche mit relativ wenigen
Bohrungen.
Die Extinktion ergibt sich geometrisch aus dem Verhältnis Blechfläche zu
gesamter Lochfläche.
Die Bleche können zur Variation auch mit nicht zu geringem Abstand
gestapelt werden, die Extinktion addiert sich dann.
Zum Test dispersiver IR-Spektrometer wurden im Prüffeld auch schnell
rotierende Sektorblenden aus Blech verwendet.
Fürs Grobe kann man auch Drahtnetze nehmen, die liegen aber meistens um
0,4 Extinktion und der genaue Wert ist schwieriger auszumessen.
Gruß - Werner
Blue Audio schrieb:> Helmut S. schrieb:>> Diese Aussage ist falsch. Wer den möglichst kleinen Dunkelstrom>> benötigt, der lässt die Vorspannung tunlichts weg und kompensiert sogar>> die Offsetspannung des TIAs um wirklich 0V Vorspannung zu bekommen.>>>> Ich hoffe der Fraghesteller ignoriert deine falschen Aussagen.>> Tut er ;) ich bin durchaus Fit mit Optik und Photonik aller Art - ist> mein täglich Brot. Mein einziges Problem ist eine verlässliche Quelle> oder konkretes Verständnis für die begrenzenden Mechanismen der> Linearität. Darüber finde ich auch keine vernünftigen Paper oder> Informationen bei den Lieferanten.>> Da ich Präzisionsphotometrie Betreibe versteht sich der> Photovoltaikbetrieb wegen geringem Dunkelstrom von selbst. Vorspannen> würde man nur bei großen Bandbreiten um die Sperrschichtkapazität zu> reduzieren. Klar, die Kapazität ist auch wichtig fürs Noise-Gain, das> kann man aber auch über Bootstrapping oder einen J-Fet isolieren.
Was willst Du denn konkret machen?
- Wellenlänge?
- Anforderungen an die Linearität?
- Leistungsdichte der einfallenden Strahlung?
Fuer mich bedeutet Lichtmessung an der Rauschschwelle einen Lock-in
Verstaerker. Und dazu benoetigt man in irgend einem Sinn Bandbreite.
Also etwas an Zahlen sollten wir haben. Also Linearitaet ueber welchen
Bereich ? zB 6 Groessenordnungen ? 7 Groessenordnungen ? 8
Groessenordnungen
Dazu gibt's uebrigens speziell einen Logamp AD8304 (160dB), alternativ
ADL 5310 (120dB)
