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.
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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
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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)
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