DE2714719A1

DE2714719A1 - Fotodioden-schaltung

Info

Publication number: DE2714719A1
Application number: DE19772714719
Authority: DE
Inventors: John Campbell Parker; William Frederick Woods
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1976-04-03
Filing date: 1977-04-01
Publication date: 1977-10-06
Also published as: GB1532262A; DE2714719C2; CA1072187A; SE432850B; SE7703765L; FR2346697B1; FR2346697A1

Description

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FERRANTI LIMITED Hollinwood, Lancashire, England

Unser Zeichen: A 14 014 Lh/fi

Fotodioden-Schaltung 709840/1053

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Die Erfindung betrifft eine Fotodioden-Schaltung, insbesondere eine Schaltung mit einer Fotodiode, die in einem Halbleiterkörper eine strahlungsempfindliche PN-Ubergangszone hat und eine beträchtliche Lawinenverstärkung aufweist.

Es ist Üblich bei strahlungsempfindlichen PN-Ubergangszonen einer Lawinen-Fotodiode, daß sie in Sperr-Richtung betrieben wird, wenn eine einfallende Strahlung aufgenommen wird. Die Ansprechempfindlichkeit der Fotodiode ist die Stärke des Stromausganges für eine Einheit des einfallenden Strahlungsflusses. Die Anzahl von freien Elektronen, die in dem Halbleiterkörper für ein Quantum einfallender Energie freigesetzt wird, wird die Quantenleistungsfähigkeit oder der Quantenwirkungsgrad der Fotodiode genannt.

Ferner werden in einer Lawinen-Fotodiode, auch Avalanche-Dlode genannt, durch die an die Diode gelegte Sperrspannung die freigesetzten Elektronen in einem aktiven Bereich beschleunigt, der mit der PN-Ubergangszone in Verbindung steht, wodurch weitere freie Elektronen in dem Halbleiterkörper durch Kollisionsvorgänge freigegeben werden. Die Zahl der auf diese Heise für jedes Fotoelektron erzeugten Elektronen wird Lawinenverstärkung genannt.

Die Ansprechempfindlichkeit der Avalanche-Fotodiode bei einer gegebenen Wellenlänge ist proportional zum Produkt aus dem Quantenwirkungsgrad und der Lawinenverstärkung der Schaltung.

Da die Lawinenverstärkung der Fotodiode mit dem Rückwärtspotential an der Fotodiode zunimmt, tut dies auch die An-

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Sprechempfindlichkeit. In einer üblichen Schaltung ist die an die Fotodiode gelegte Rückwärtsspannung durch Spannungsbegrenzungseinrichtungen bestimmt. Die Spannungsbegrenzungseinrichtung kann wenigstens eine Zener-Diode aufweisen, die parallel zur Fotodiode und ihrer Belastung geschaltet ist und wenn eine Vielzahl von Zener-Dioden vorgesehen werden, so sind diese in Reihe zueinander geschaltet.

Es gibt jedoch einen optimalen Wert für die Lawinenverstärkung der Fotodiode bei einer gegebenen Stärke des Stromflusses durch die Fotodiode und bei einem gegebenen Rausch-Pegel für einen zugehörigen Verstärker der Schaltung, weil unvermeidlich der Rauschverstärkungsfaktor der Fotodiode schneller mit der Lawinenverstärkung zunimmt als der Signalverstärkungsfaktor des Detektors. Im optimalen Wert der Lawinenverstärkung ist das Verhältnis der Ansprechempfindlichkeit der Fotodiode zum gesamten äquivalenten Rausch-Strom am Verstärkereingang ein Maximum. Wenn alle anderen Parameter der Fotodioden-Schaltung konstant sind, nimmt die Größe dieses Verhältnisses mit dem Quantenwirkungsgrad der Fotodiode zu, weshalb eine Fotodiode mit hohem Quantenwirkungsgrad erforderlich ist.

Der Quantenwirkungsgrad, der auch mit der Temperatur zunimmt, hat unvermeidlich keinen konstanten Wert, während all der normal auftretenden Betriebsbedingungen der Fotodiode. Während des Betriebs der Fotodiode können zufällige Schwankungen der Umgebungstemperatur auftreten, was sowohl die wirkliche als auch die optimale Ansprechempfindlichkeit der Schaltung in unvorhersehbarer Weise ändert. Die Ansprechempfindlichkeit der Fotodiode hat deshalb, auch wenn sie konstant sein soll, einen optimalen Wert nur bei einer Temperatur und das Gesamtverhältnis von Signal zu Rauschen am Verstärker, der der Fotodiode zugeordnet ist, hängt von der Temperatur ab.

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Es ist möglich, sicherzustellen, daß die Ansprechempfindlichkeit der Schaltung einen gewünschten vorgegebenen optimalen Wert hat durch Einstellen der Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird, um irgendwelche zufälligen Schwankungen der Arbeitstemperatur zu kompensieren. Diese Anordnung ist jedoch nachteilig, weil es notwendig ist, die Rückwärtsspannung über einen großen Bereich zu kontrollieren bzw. zu steuern und weil es ferner notwendig ist, Einrichtungen zum genauen Messen der Arbeitstemperatur der Schaltung vorzusehen, beispielsweise indem ein Temperatur-Sensor benachbart zur Fotodiode angeordnet wird.

Es ist bekannt, die Arbeitstemperatur der Fotodiode zu stabilisieren, indem der Diode Wärme zugeführt wird, um ihre Temperatur auf einem gewünschten Wert auf oder über der maximalen, normalerweise auftretenden Umgebungstemperatur zu halten. Wenn bei dieser gewünschten Temperatur eine erforderliche Rückwärtsspannung an die Fotodiode angelegt wird, um zu erreichen, daß die Schaltung einen vorgegebenen, optimalen Ansprech-Empfindlichkeits-Wert hat. gewöhnlich ist die stabilisierte Arbeitstemperatur der Fotodiode hoch, beispielsweise 1OO°C über der unteren Grenze der Umgebungstemperatur. Wenn ferner die Fotodiode kurz nach der Einschaltung arbeiten soll, muß die dem Äußeren der Fotodiode zugeführte Wärmemenge hoch sein, beispielsweise mehr als 10 Watt. Die Stabilisierung der Temperatur der Fotodiode in dieser Weise wird erleichtert, wenn ein Gehäuse für die Fotodiode verwendet wird. Es können auch außerhalb des Gehäuses Heizeinrichtungen für die Fotodiode vorgesehen werden, um eine konstante Wärmemenge zuzuführen. Dieser indirekte Weg zur Stabilisierung der Arbeitstemperatur der Fotodiode hat jedoch den Nachteil, daß eine beträchtliche Verzögerung entsteht ehe die Betriebstemperatur der Fotodiode erreicht ist. Um ferner die stabilisierte Arbeits- oder Betriebstemperatur zu

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messen, ist ein Temperatur-Sensor notwendig, der benachbart zur Fotodiode angebracht werden muß, wie oben erwähnt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung mit einer Avalanche-Fotodiode zu schaffen, die mit Einrichtungen versehen ist, um die Fotodiode auf direktem Weg schnell zu erwärmen und schnell eine gewünschte stabilisierte Betriebstemperatur zu erreichen.

Erfindungsgemäß ist daher diese Schaltung mit einer Avalanche-Fotodiode mit einer PN-Ubergangszone innerhalb eines Halbleiterkörpers versehen, die auf einfallende Strahlung empfindlich ist, auf die die Diode anspricht, wobei das Material des Halbleiterkörpers einen positiven Temperaturkoeffizienten der Durchbruchsspannung hat, wobei ferner im Betrieb der Schaltung die Fotodiode erregt wird, indem sie an eine elektrische Speiseenergie angeschlossen wird und der strahlungsempfindliche PN-Übergang in Sperr-Richtung betrieben wird, wobei die Rückwärtsspannung durch Spannungsbegrenzungseinrichtungen der Schaltung bestimmt wird und die Schaltung so ausgebildet ist, daß die Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird, selektiv zwischen zwei Werten geändert werden kann, nämlich einem höheren Wert gleich einer empirisch abgeleiteten Durchbruchsspannung der Fotodiode bei einer gewünschten Betriebstemperatur der Diode, und einem niedrigeren Wert, der eine empirisch abgeleitete erforderliche Rückwärtsspannung bei der gewünschten Betriebstemperatur enthält, wenn die Fotodiode einfallende Strahlung aufnehmen soll, wobei die Temperatur der Fotodiode auf dem gewünschten Betriebswert stabilisiert wird und die Durchbruchsspannung bei dieser Temperatur an die Fotodiode gelegt wird, wobei ferner, wenn eine auf die Fotodiode einfallende Strahlung festgestellt wird, die Rückwärtsspannung auf diese niedrigere, erforderliche Spannung reduziert wird, und schließlich die Feststellung der einfallenden Strahlung

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im wesentlichen auf dem gewünschten Arbeltswert und wenigstens In dem aktiven Bereich erfolgt, der der strahlungsempfindlichen PN-Ubergangszone der Fotodiode zugeordnet 1st.

Wenn die Durchbruchsspannung bei der gewünschten Arbeltstemperatur am Anfang an die Fotodiode angelegt wird, entsteht ein merklicher Rückwärtsstrom Im Durchbruchsbereich der Fotodiode. Die dadurch im Halbleiterkörper der Fotodiode erzeugte Wärme führt dazu, daß die Temperatur der Fotodiode schnell auf den gewünschten Arbeitswert steigt, oberhalb welcher Temperatur ein Durchschlag innerhalb des Halbleiterkörpers aufhört. Da der Temperaturkoeffizient bei Durchbruchsspannung bei jedem üblicherweise verwendeten Halbleitermaterial positiv ist, wird die Temperatur der Fotodiode auf dem Wert stabilisiert, bei dem ein Durchbruch innerhalb des Halbleiterkörpers nahezu aufhört. Es ist daher möglich, empirisch die Durchbruchsspannung bei einer gewünschten Temperatur abzuleiten und es ist möglich, eine gewünschte Temperatur für die Fotodiode auf diese Weise zu erhalten.

In der Beschreibung ist aus Gründen der Zweckmäßigkeit die Temperatur, bei der die Avalanche-Fotodiode stabilisiert wird, wenn die empirisch abgeleitete Durchbruchsspannung an die Fotodiode gelegt wird, als die gewünschte Betriebstemperatur oder Arbeitstemperatur bezeichnet und die Feststellung bzw. Aufnahme einfallender Strahlung soll erfolgen bei einer Temperatur wenigstens des aktiven Bereiches, der der strahlungsempfindlichen PN-Ubergangszone der Fotodiode zugeordnet ist, im wesentlichen auf diesem Wert.

Eine Fotodiode mit einem erforderlichen hohen Quatenwirkungsgrad wird gewählt und die untere Rückwärtsspannung bei der Messung einfallender Strahlung wird so gewählt, daß die Fotodiode einen vorgegebenen optimalen Ansprech-Empfindlichkeitswert

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bei der gewünschten stabilisierten Betriebstemperatur hat. Damit können die höheren und niedrigeren Werte der Rückwärtsspannungen, die an die Fotodiode angelegt werden, empirisch bestimmt werden.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 eine Schaltung einer bekannten Avalanche-Fotodiode zeigt.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Avalanche-Fotodiode.

Fig. 3 zeigt die Wellenform einer variablen Spannung, die an die Spannungsbegrenzungs-Einrichtung und an einen Reihenwiderstand gelegt wird bei einer alternativen Ausführungsform der Fotodiodenschaltung.

Fig. 4 zeigt die Schaltung dieser alternativen Ausführungsform.

Fig. 5 zeigt die Schaltung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung einer Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 2, wobei die Schaltung mit einer HilfsFotodiode versehen ist, um die Schaltung gegen die Wirkungen einer zu starken auf die Hauptfotodiode einfallenden Strahlung zu schützen.

Fig. 7 zeigt eine Schaltung einer Modifikation der Ausführungsform nach Fig. 5 mit Einrichtungen, um die Schaltung gegen die Wirkungen eines überstarken Strahlungseinfalles zu schützen.

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Die bekannte Fotodiodenschaltung nach Fig. 1 hat eine Avalanche-Fotodiode D1, die in einem Silicium-Halbleiterkörper (nicht gezeigt) eine strahlungseinpf indliche PN-Ubergangszone aufweist. Die Fotodiode D1 ist so angeordnet, daß Strahlung auf die das Gerät empfindlich ist, auf die Fotodiode fallen kann und die Fotodiode ist in der Lage, die einfallende Strahlung festzustellen bzw. aufzunehmen.

Die Fotodiode D1 wird in Sperrichtung betrieben (reverse biased) und ihre Kathode ist an eine Leitung oder Schiene 10 angeschlossen, die über einen hohen Widerstand R1 an eine positive elektrische Gleichstromquelle hoher Spannung (nicht gezeigt) gelegt ist. Die Anode der Fotodiode ist indirekt mit einer Schiene 11 verbunden, die im wesentlichen auf Null-Potential gehalten wird. Der Stromausgang der Fotodiode wird über einen Operationsverstärker A1 erhalten, dessen niedrige Eingangsimpedanz den Weg zwischen der Anode und der Schiene 11 vervollständig. Eine Nebenschlußdiode D2 ist zwischen der Eingangsklemme des Verstärkers und der Schiene 11 geschaltet und die Diode D2 wird in Vorwärtsrichtung betrieben, wenn der Stromfluß im Verstärker auf einen Wert zunimmt, der größer als der normal auftretende ist.

Die an die Fotodiode D1 gelegte Rückwärtsspannung ist kleiner als die Spannung, die die elektrische Energiequelle liefert, und sie ist durch Spannungs-Begrenzungseinrichtungen vorgegeben, die parallel zur Fotodiode geschaltet sind. In der dargestellten Schaltung umfassen die Spannungsbegrenzungs-Einrichtungen eine parallele Kombination aus einem großen Kondensator C1 und einer Kette von drei Zenerdioden Z1, Z2 und Z3, die in Reihe zueinander liegen, wobei die Parallelkombinatjon zwischen die Schienen 10 und 11 geschaltet ist. Der Kondensator C1 reduziert unerwünschtes Rauschen in den Zenerdioden.

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Im Betrieb der dargestellten Schaltung zieht die Fotodiode D1 nur einen vernachlässigbaren Strom von der Schiene 10. Selbst wenn die Fotodiode eine beträchtliche Intensität gepulster einfallender Strahlung, auf die sie anspricht, feststellt, und einen beträchtlichen Stromausgang liefert, zieht sie diesen niedrigen Strom vom Kondensator C1. Die Fotodiode D1 ist in einem nicht gezeigten Gehäuse angeordnet und auf einem Substrat montiert, das elektrisch isolierende Eigenschaften hat. Ein elektrisches Heizelement (nicht gezeigt) ist benachbart zu dem Gehäuse angeordnet und liefert für die Fotodiode genug Wärme in einer konstanten Rate, um die Arbeitstemperatur auf einem gewählten Wert zu halten, der höher ist als die maximale Umgebungstemperatur, während der normalerweise auftretenden Arbeits- und Betriebsbedingungen. Die Wärmequelle wird gesteuert, um Wärme in einer besonders konstanten Rate abhängig vom Ausgang eines Temperaturfühlers (nicht gezeigt) zuzuführen, so daß die Arbeitstemperatur der Fotodiode auf einem Wert stabilisiert wird, der durch das elektrische Heizelement bestimmt wird.

Die Fotodiode ist so gewählt, daß sie einen hohen Quantenwirkungsgrad hat, beispielsweise 30% bei einer Wellenlänge von 1060 · 10 Metern und bei einer Temperatur von + 60⁰C. Bei der gewünschten Betriebstemperatur und bei der vorgegebenen Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird, hat diese eine vorgegebene optimale Ansprechempfindlichkeit. Es ist notwendig, sicherzustellen, daß die Rückwärtsspannung kleiner ist als die Durchbruchsspannung der Fotodiode bei der gewünschten Arbeitstemperatur. Der Nachteil einer solchen Anordnung ist, daß es lange dauert, um die gewünschte Betriebstemperatur zu erreichen, nachdem das elektrische Heizelement eingeschaltet worden ist, beispielsweise ist eine Zeit von etwa 2 Minuten erforderlich.

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Eine Fotodioden-Schaltung nach der Erfindung ist in Fig. 2 gezeigt. Teile der Schaltung nach Fig. 2, die identisch oder nahezu gleich mit Teilen der Schaltung nach Fig. 1 sind, haben dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1.

Die Schaltung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der bekannten Schaltung nach Fig. 1 insofern, als die Spannung der elektrischen Gleichspannungsquelle höher ist. Ferner wird durch die elektrische Energiequelle ein beträchtlicher Rückwärtsstrom an die Fotodiode D1 geliefert und es ist ein Widerstand R2 in Reihe mit der Schiene 10 geschaltet, der einen niedrigeren Wert als der Widerstand R1 nach Fig. 1 hat.

Die Spannungsbegrenzungs-Einrichtung hat ferner Spannungsschalteinrichtungen mit einem Schalter 20, der an einen Teil der Spannungsbegrenzungseinrichtung angeschlossen ist. Wenn der Schalter 20 geschlossen ist, so ist der Teil der Spannungsbegrenzungs-Einrichtung überbrückt. Die Fotodioden-Schaltung nach der Erfindung ist so angeordnet, daß eine höhere Rückwärtsspannung an die Fotodiode gelegt werden kann, wobei die höhere Rückwärtsspannung durch vier Zenerdioden Z1, Z2, Z3 und Z4 bestimmt ist und gleich der Durchbruchsspannung der Fotodiode bei ihrer gewünschten Arbeitstemperatur ist. Diese ist dieselbe Arbeitstemperatur wie bei der bekannten Schaltung nach Fig. 1. Eine niedrigere Rückwärtsschaltung, bestimmt durch die Überbrückung der Zenerdiode Z4 der Spannungsbegrenzungseinrichtung, wird an die Fotodiode gelegt, wenn es erforderlich ist, einfallende Strahlung festzustellen oder aufzunehmen, auf die die Fotodiode anspricht.

Die gewünschte Arbeitstemperatur der Fotodiode ist durch die höhere Rückwärtsspannung bestimmt und unabhängig davon ob Strahlung, auf die die Schaltung anspricht, auf die Fotodiode fällt. Die höhere Rückwärtsspannung wird ferner so gewählt, daß

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die Fotodiode eine Arbeitstemperatur hat, die gewährleistet, daß die Ansprechempfindlichkeit der Fotodiode den vorgegebenen optimalen Wert hat bei einer geeignet vorgesehenen niederen Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird.

Diese gewünschte Arbeitstemperatur wird auf direktem Weg erhalten durch Erzeugung von Wärme im Halbleiterkörper der Fotodiode. Wenn die höhere Rückwärtsspannung anfangs an die Fotodiode gelegt wird, wird ein merklicher Rückwärtsstrom von der Schiene 10 gezogen und fließt in den Durchbruchsbereich der Fotodiode. Die dadurch im Halbleiterkörper ofer Fotodiode erzeugte Wärme läßt die Temperatur der Fotodiode schnell steigen. Beim gewünschten Betriebswert der Temperatur der Fotodiode geht der Durchbruch in dem Halbleiterkörper nahezu auf Null zurück. Da der Temperaturkoeffizient der Durchbruchsspannung bei dem Silicium-Halbleitermaterial positiv ist, wird die Temperatur der Fotodiode auf dem Wert stabilisiert, bei dem ein Durchbruch im Halbleiterkörper nahezu aufhört. Es ist somit möglich, empirisch die Durchbruchsspannung bei der gewünschten Arbeitstemperatur abzuleiten und es ist möglich, eine gewünschte stabilisierte Arbeitsspannung für die Fotodiode auf diese Weise zu erhalten.

Um die gewünschte stabilisierte Arbeitstemperatur, nachdem sie erreicht worden ist, aufrecht zu erhalten, fließt weiterhin ein kleiner Rückwärtsstrom durch die Fotodiode, wobei die dadurch erzeugte Wärme gerade ausreicht, um die erforderliche Temperaturdifferenz über dem Substrat des Gehäuses oder der Umhüllung aufrecht zu erhalten. Wenn der Heizstrom zu stark wird, wird die Nebenschlußdiode D2 in Vorwärtsrichtung betrieben und der Strom fließt durch sie zur Schiene 11.

Die Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1 und 2 haben dieselbe Arbeitstemperatur und es wird dieselbe erforderliche Rückwärts-

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spannung an die Fotodiode gelegt, wenn eine einfallende Strahlung zu messen bzw. aufzunehmen ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist dies die niedrigere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird und sie wird nur solange angelegt, wie es notwendig ist, die einfallende Strahlung aufzunehmen.

Die Zener-Diode Z4 ist vorgesehen, um anzuzeigen, daß dieselbe Rückwärtsspannung an die Fotodiode der Schaltungen nach den Fig. 1 und 2 gelegt wird, wenn eine einfallende Strahlung zu messen ist. Andere Ausführungsformen sind jedoch möglich.

In der Schaltung nach Fig. 2 ist der Teil Z4, der erforderlich ist, um den Unterschied zwischen den erforderlichen höheren und tieferen Werten der Rückwärtsspannung zu definieren, die an die Fotodiode gelegt wird, empirisch bestimmt, weil die höhere und die niedrigere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt werden, in der oben beschriebenen Weise empirisch bestimmt werden. Dieser Unterschied der beiden Rückwärtsspannungen ist klein genug, so daß er leicht durch Betätigung eines Schalters 20 erreichbar ist.

Im Betrieb der Schaltung nach Fig. 1 wird die höhere Rückwärtsspannung, die durch die vier Zener-Dioden Z1, Z2, Z3 und Z4 bestimmt ist, anfangs an die Fotodiode angelegt, bis die Temperatur der Fotodiode auf dem gewünschten Arbeitswert stabilisiert ist. Wenn danach die Fotodiode einfallende Strahlung aufnehmen oder feststellen soll, wird der Schalter geschlossen und die niedrigere Rückwärtsspannung, die durch die drei Zenerdioden Z1, Z2, Z3 bestimmt ist, an die Fotodiode gelegt. Wenn dann die Temperatur wenigstens in dem aktiven Bereich, der der strahlungsempfindlichen PN-Ubergangszone der Fotodiode zugeordnet ist, im wesentlichen den gewünschten Arbeitswert hat, wird der Ausgangsstrom der Schaltung gemessen.

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Dieser Ausgangsstrom stellt die Intensität der einfallenden Strahlung dar, auf die die Fotodiode anspricht. Danach werden die Schaltkontakte wieder geöffnet, die höhere Rückwärtsspannung wird wieder an die Fotodiode gelegt und die gewünschte Arbeitstemperatur erneut erreicht, so daß die Schaltung fertig für eine weitere Aufnahme von einfallender Strahlung ist.

Wenn die Fotodiode eine merkliche Intensität an einfallender Strahlung feststellt, auf die sie anspricht, und einen merklichen Ausgangsstrom liefert, der von der Schiene 10 gezogen wird, so wird die Diode D2 durch den Verstärker A1 vervollständigt.

Der direkte Weg zum Beheizen bzw. Erwärmen der Fotodiode, um die gewünschte Betriebstemperatur zu erhalten, der oben mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben wurde, ist schneller als der indirekte Weg, der anhand von Fig. 1 beschrieben wurde, beispielsweise ist eine Zeit von weniger als 100 Millisekunden für einen Temperaturanstieg um 100°C möglich.

Die Periode, während der eine Aufnahme der einfallenden Strahlung erfolgen soll, kann kleiner als 100 Mikrosekunden sein. Es ist daher möglich, sicherzustellen, daß die Temperatur wenigstens im aktiven Bereich, der der strahlungsempfindlichen PN-Übergangszone der Fotodiode zugeordnet ist, in dieser kurzen Zeitperiode auf der gewünschten Arbeitstemperatur ist.

Der Schalter 20 kann jede geeignete Konstruktion haben und er kann entweder einen Thyristor oder einen Hochspannungstransistor enthalten.

In einer besonderen Anwendungsform wird die erfindungsgemäße

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Schaltung benutzt, um Strahlung, die von einem Laser emittiert worden ist, aufzunehmen. Wenn es ein Q-geschalteter Laser ist, so ist eine Spannung der allgemeinen Sägezahn-Wellenform verfügbar, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. Der ansteigende Teil der Wellenform wird durch die allmähliche Aufladung eines impuls-formenden Netzwerkes von einer Stromquelle verursacht und der fallende Teil der Wellenform wird durch die plötzliche Entladung des Impuls-Netzwerkes durch eine Laser-Blitzröhre erzeugt.

Es ist erforderlich, einfallende Strahlung in der Fotodiode in der kurzen Periode aufzunehmen bzw. festzustellen, nachdem die elektrische Speisespannung im wesentlichen Null wird, wobei in dieser Periode die Arbeitstemperatur der Fotodiode nicht merklich fällt. Es ist ferner erforderlich, daß die Fotodiode die gewünschte stabilisierte Arbeitstemperatur in der langen Zeitperiode erhält, während die elektrische Speisespannung auf ihren Maximalwert ansteigt.

Die Fotodioden-Schaltung nach Fig. 4 arbeitet in dieser Weise. Eine Spannung mit der Wellenform nach Fig. 3 wird an die Spannungsbegrenzungs-Einrichtung und an den Widerstand R2 gelegt, d.h. Teile der Schaltung nach Fig. 4, die identisch oder sehr ähnlich zu Teilen der Schaltung nach Fig. 2 sind, haben dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2.

Die Fotodiodenschaltung nach Fig. 4 hat einen Spitzen-Gleichrichterkreis, der einen Ladestrom für den großen Kondensator C1 liefert. Dieser Spitzen-Gleichrichter umfaßt den großen Kondensator C1, eine Diode D3 und die Zener-Diode Z4, die Rücken an Rücken mit einer Diode D4 angeordnet ist. Ferner wird die Reihenfolge der Zener-Dioden-Kette Z1, Z2, Z3 und Z4 bei dieser Ausfuhrungsform umgekehrt und die Diode D4 ist zwischen die Zener-Dioden Z4 und Z3 geschaltet. Der große

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Kondensator C1 ist parallel nur zu dem Teil Z1, Z2, Z3 der Zener-Dioden-Kette geschaltet. Die Diode D4 dient dazu, zu verhindern, daß die Fotodiode D1, wenn sie einfallende Strahlung aufnimmt, von dem Kondensator C1 über die niedrige Vorwärtsimpedanz der Zener-Diode Z4 Strom zieht.

Es ist ferner ein kleiner Kondensator C2 parallel zu dem großen Kondensator C1 geschaltet und die beiden Kondensatoren C1 und C2 sind über einen Widerstand R3 verbunden. Der kleine Kondensator C2 und der Widerstand R3 verhindern, daß die Fotodiode D1 eine zu hohe Ladung vom Kondensator C1 zieht, sowie eine überhitzung, wenn die Intensität der einfallenden Strahlung, auf die die Fotodiode anspricht, während der kurzen Zeitperiode groß ist, in der die Fotodiode D1 die einfallende Strahlung aufnimmt, und die an der Fotodiode liegende Vorspannung ihren unteren, vorgegebenen Wert hat.

Wenn die Spannung der elektrischen Versorgung ausreichend von Null angestiegen ist, beginnt ein Strom durch die Zener-Diode Z4 und die Diode D4 zu fließen, um den großen Kondensator C1 aufzuladen. Der Kondensator C1 lädt sich auf die durch den Teil Z1, Z2 und Z3 der Zender-Dioden-Kette eingestellten Spannung auf, d.h. auf die untere oder niedrigere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode anzulegen ist. Die Rückwärtsspannung, die an den kleinen Kondensator C2 und die Fotodiode D1 angelegt ist, steigt auf den Wert an, der durch die gesamte Zener-Dioden-Kette Z1, Z2, Z3 und Z4 bestimmt ist, d.h. auf die höhere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode anzulegen ist und die Temperatur der Fotodiode wird auf dem gewünschten Arbeitswert oder Betriebswert stabilisiert.

Wenn die elektrische Speisespannung auf Null geschaltet wird, bleibt der große Kondensator C1 auf der unteren Rückwärtsspannung geladen für die kurze Zeitperiode, während der die

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Fotodiode die einfallende Strahlung aufnimmt und diese untere Rückwärtsspannung wird an die Fotodiode gelegt. Der kleine Kondensator C2 entlädt sich schnell, anfangs über die Zener-Diode Z4 und die Diode D4 zu dem großen Kondensator C1 und danach direkt zu dem großen Kondensator C1 über den Widerstand R3.

Bei dieser dargestellten Fotodioden-Schaltung wird daher die Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode zu legen ist, wahlweise gewechselt zwischen dem empirisch abgeleiteten höheren und niedrigeren Wert, indem die Spannung, die an die gesamte Spannungsbegrenzungs-Einrichtung und den Widerstand R2 gelegt wird, wahlweise von einem hohen zu einem niedrigeren Wert geändert wird.

In einer nicht gezeigten Variation der Schaltung nach Fig. ist die Diode D4 zwischen den Punkt zwischen den Zener-Dioden Z3 und Z4 und den Punkt zwischen dem Kondensator C1 und dem Widerstand R3 geschaltet.

Die obere und untere Rückwärtsspannung für die Fotodiode kann statt direkt durch Verwendung von Zener-Dioden bestimmt zu werden, auch durch andere Arten von Spannungsbegrenzungs-Einrichtungen abgeleitet werden, z.B. geregelten Energiequellen oder Energiequellen mit niedriger Impedanz.

Daher wird auch bei einer anderen Methode zur Ableitung der beiden Rückwärtsspannungen für die Fotodiode, wie in Fig. 5 gezeigt ist, ein Spannungsregler als Spannungsbegrenzungs-Einrichtung verwendet.

Teile der Ausfuhrungsform nach Fig. 5, die identisch oder ähnlich mit Teilen der Ausführungsform nach Fig. 4 sind, haben dieselben Bezugszeichen in beiden Figuren.

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Eine Eingangsspannung irgendeiner geeigneten, veränderlichen Wellenform, wie z.B. die nach Fig. 3, und zugeführt über die Leitung 10 über den Widerstand R2 und eine Diode D5, wird durch einen Teil der Schaltungsanordnung gertegelt, die einen NPN-Transistor T1 aufweist, der in Serie mit der Leitung 10 liegt, wobei die Basis des Transistors T1 über einen Widerstand R4 an einen Punkt zwischen der Diode D5 und dem Kollektor des Transistors einerseits und andererseits an den Kollektor eines weiteren NPN-Transistors T2 gelegt ist. Der Emitter des Transistors T2 ist über eine Zener-Diode Z5 an die Leitung 11 gelegt und die Basis des Transistors T2 ist an einen Potentialteiler gelegt, bestehend aus einer Kette von Widerständen R5, R6 und R7, die zwischen die Leitungen 10 und 11 geschaltet sind. Die Basis des Transistors T2 ist an einem Punkt zwischen den Widerständen R5 und R6 angeschlossen und der Widerstand R6 umfaßt einen variablen Widerstand. Eine regulierte Spannung wird an der Leitung 10 zu allen Zeiten erhalten, wenn die Eingangsspannung über einem vorgegebenen Schwellwert liegt und die regulierte Spannung umfaßt die höhere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode D1 anzulegen ist. Die höhere Rückwärtsspannung wird bezüglich der Zener-Diode Z5 geregelt und ihre Größe ist durch die Einstellung des variablen Widerstandes R5 bestimmt. Die Diode D5 soll den Hochspannungs-Transistor T1 gegen negativ gehende Hochspannungsübergänge am Eingang schützen,

Die untere oder niedrigere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode D1 angelegt wird, wird erhalten, indem eine weitere Spannungsteiler-Kette aus Widerständen R8, R9 und R10 zwischen die Leitungen 10 und 11 gelegt wird, wobei der Widerstand R9 ein variabler Widerstand ist oder einen solchen umfaßt. Die untere Rückwärtsspannung liegt an und lädt den Kondensator C1 auf, der zwischen einem Punkt zwischen den Widerständen R9 und R10 und der Leitung 11 liegt. Die Größen von R8, R9 und C1 sind so gewählt, daß der Kondensator C1 in weniger als einer Periode der

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Wellenform der Eingangs-Speisespannung voll aufgeladen ist. Die Einstellung des variablen Widerstandes R9 bestimmt die Größe der unteren Rückwärtsspannung.

Die Diode D3 liegt in der Leitung 10 zwischen den Widerständen R5 und R8 der beiden Widerstands-Ketten. Der kleinere Kondensator C2 ist parallel zur Fotodioden-Kombination D1, D2 geschaltet.

Die höhere Rückwärtsspannung wird an die Fotodiode angelegt, wenn immer die Eingangsspannung über dem vorgegebenen Schwellwert liegt und die Diode D3 leitet. Wenn die Eingangsspannung unter dem vorgegebenen Schwellwert liegt, wird die Diode D3 umgekehrt vorgespannt bzw. in Sperr-Richtung betrieben und die Fotodiode D1 gegenüber der Leitung 10 isoliert bzw. von der Leitung getrennt. Der kleinere Kondensator C2 entlädt sich schnell über die Widerstände R8 und R9 zum Kondensator C1, so daß die untere Rückwärtsspannung am Kondensator C1 an die Fotodiode D1 für die kurze Zeitperiode angelegt werden kann, während der die Fotodiode einfallende Strahlung aufnimmt.

Die elektrische Speiseenergiequelle der Fotodiodenschaltung nach der Erfindung soll in der Lage sein, einen merklichen Rückwärtsstrom zu liefern, um die gewünschte stabilisierte Betriebstemperatur für die Fotodiode D1 zu erhalten. Diese Forderung kann es mit sich bringen, daß der Stromausgang der Fotodiodenschaltung, wenn eine einfallende Strahlung aufgenommen wird, oder nicht, unter Umständen so groß werden kann, daß eine Beschädigung der Fotodiode durch überhitzung in Betracht zu ziehen ist, wenn die einfallende Strahlung stärker ist als sie normalerweise auftritt.

Wenn die Fotodiode einem übermäßigen Strahlungseinfall über

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lange Zeitspannen ausgesetzt wird und wenn die Fotodiode die einfallende Strahlung aufnehmen soll, oder nicht, kann der entsprechend starke und lange Stromausgang der Fotodioden-Schaltung verhindert werden durch Modifizierung der Schaltung von Fig. 2 in der in Fig. 6 gezeigten Weise. Teile der Schaltung nach Fig. 6, die identisch oder ähnlich mit Teilen der Schaltung nach Fig. 2 sind, haben dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 2.

Die Modifikation nach Fig. 6 umfaßt Einrichtungen, um das höhere Rückwärts-Potential-Niveau der Schiene 10 wahlweise zu reduzieren, wenn die Fotodiode einer übermäßigen Stärke einer einfallenden Strahlung ausgesetzt ist. Diese Einrichtung umfaßt eine Hilfs-Fotodiode D1', die eine niedrigere Ansprechempfindlichkeit hat und/oder mit einem etwas breiteren Blickwinkel ausgestattet ist als die Fotodiode D1. Die Hilfs-Fotodiode D1· ist praktisch in derselben Richtung wie die Fotodiode D1 orientiert.

In der dargestellten Anordnung ist die Hilfs-Fotodiode D1' mit einem Schalter verbunden, der einen Hochspannungs-Transistor T3 enthält. Die Hilfs-Fotodiode D1· liegt, wie dargestellt, in Reihe mit einem Verstärker A2 und zwischen der Schiene 10 und der Basis des Transistors T3, obwohl sie auch in anderer Weise angeschlossen werden kann. Der Kollektor des Transistors T3 ist mit der Schiene 10 verbunden und der Emitter ist mit der Schiene 11 verbunden, um im wesentlichen auf Null-Potential gehalten zu werden.

Wenn die Hilfs-Fotodiode D1' feststellt, daß die Intensität der auf sie selbst und auf die Fotodiode D1 einfallenden Strahlung einen Schwellwert über eine lange Zeitperiode erreicht hat, so wird durch den Ausgangsstrom der Hilfs-Fotodiode D1' der Transistor T3 leitend geschaltet und die Zener-

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Dioden Z1 bis Z4 werden überbrückt. Der Schwellwert, der durch die Arbeitsweise der Hilfs-Fotodiode D1' bestimmt ist, ist so gewählt, daß es bei der Fotodiode D1 nicht zu einem Dauer-Ansprechvorgang kommt, der genügend groß ist, um die Fotodiode selbst zu beschädigen. Die Hilfs-Fotodiode D1' ist keine Avalanche-Diode und ihre Ansprechempfindlichkeit ist nicht stark abhängig von ihrer Rückwärtsspannung oder ihrer Arbeitstemperatur. Eine solche Fotodiode D1' kann von einer niedrigen Spannungsquelle vorgespannt werden und sie kann an einem Punkt zwischen den Zener-Dioden Z1 und Z2 der Schalteinrichtung angeschlossen werden anstatt an der Schiene 10.

Wenn im Betrieb die Hilfs-Fotodiode D1' einen langen und übermäßigen Strahlungseinfall feststellt, wird die Vorspannung der Fotodiode DI auf einen vorgegebenen Pegel reduziert, wobei dieser Pegelwert wenn er mit dem Strom multipliziert wird, den der Widerstand R2 durchzulassen vermag, ein Produkt in Watt ergibt, das die Temperatur der Fotodiode D1 oder der Diode D2 nicht merklich erhöht.

Alternativ kann die Hilfs-Fotodiode D1' angeordnet werden, um den Rückwärtsstrom zu reduzieren, der der Fotodiode D1 von der elektrischen Energiequelle zuführbar ist, wenn die Hilfs-Fotodiode feststellt, daß die Intensität der einfallenden Strahlung den Schwellwert erreicht. Eine solche Anordnung ist in Fig. 4 gezeigt, wobei bei der Schaltung nach Fig. 4 die Hilfs-Fotodiode D1' eine Stromüberbrückungs-Einrichtung in geeigneter Weise steuert, unabhängig davon, ob die Fotodiode D1 die einfallende Strahlung aufnehmen soll oder nicht.

Nach einem anderen Weg zum Schutz der Fotodiode D1 vor nachteiligen Auswirkungen einer Aufnahme einer übermäßigen Strahlungsmenge über eine längere Zeit, die ein Versagen zur Folge

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haben kann, wird die höhere Rückwärtsspannung, wenn sie an die Fotodiode angelegt ist, intermittierend um einige Volt reduziert, die ausreichen, einen übergang der Fotodiode vom Durchbruchszustand, falls sie sich in diesem Zustand befindet, zum normalen Lawinen-Zustand zu bewirken. Wenn die höhere Rückwärtsspannung auf diese Weise reduziert worden ist und aufgrund einer Feststellung, daß ein starker Strom durch die Fotodiode fließt, der einen übermäßigen Strahlungseinfall anzeigt, wird die höhere Rückwärtsspannung wenigstens stark reduziert. Wenn die übermäßige Bestrahlung der Fotodiode beseitigt wird,, wird die höhere Rückwärtsspannung wieder voll angelegt und erneut intermittierend um einige Volt reduziert. Die Anordnung ist so getroffen, daß die demzufolge kurze Periode, in der ein starker Strom durch die Fotodiode fließen kann, nicht lang genug ist, um die Fotodiode durch diesen starken Strom verändern zu können.

Eine derartige Schaltung ist in Fig. 7 dargestellt und sie ist ähnlich der Schaltung nach Fig. 5. Teile der Ausführungsform nach Fig. 7, die identisch oder ähnlich den Teilen von Fig. 5 sind, haben dieselben Bezugszeichen in beiden Figuren.

In dieser Schaltung ist die in der Leitung 10 liegende Diode D3 nicht zwischen den Widerständen R5 und R8 angeschlossen, sondern sie ist mit dem Widerstand R8 verbunden und mit der Fotodiode D1 gekoppelt. Außerdem ist ein Kondensator C3 zur Diode D3 parallel geschaltet.

Der Spannungsregler einschließlich der Widerstände R4, R5, R6 und R7, der Zener-Diode Z2 und des NPN-Transistors T2, ist regenerativ mit einem PNP-Transistor T4 gekoppelt, um einen Oszillator zu bilden, der durch einen Widerstand R11 und einen Kondensator C4 gesteuert wird. Der Widerstand R11, der in Reihe mit einem Widerstand R12 und einer Diode D6 liegt,

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ist zwischen die Diode D5 und den Emitter des Transistors T4 geschaltet. Der Kondensator C4 liegt zwischen einem Punkt zwischen den Widerständen R11 und R12 und der Leitung 11. Die Basen und die Kollektoren der Transistoren T2 und T4 sind über Kreuz gekoppelt.

Wenn im Betrieb die Eingangsspannung hoch ist und die Diode D5 leitet, liegt eine hohe Spannung am Kollektor des NPN-Transistors T1 und der Kondensator C4 wird am Anfang wenigstens auf die Spannung der Zener-Diode Z5, wenn nicht vollständig auf Null, entladen. Wenn der Emitter des Transistors T4 auf einer niedrigeren Spannung als seine Basis liegt, wird der Transistor T4 abgeschaltet und der Transistor T2 übernimmt die Funktion, normalerweise die des Transistors 4, einer Regelung des Basisstromes des Transistors T1, so daß eine gewünschte hohe Spannung, die auf die erforderliche höhere Rückwärtsspannung für die Fotodiode D1 bezogen ist, auf der Leitung 10 erhalten wird. Ähnliche bzw. gleich hohe Spannungen werden an den Kollektor des Transistors T2 und an die Basis des Transistors T4 gelegt. Der Kondensator C4 wird damit auf eine noch höhere Spannung geladen, der Transistor T4 wird angeschaltet und die Ansteuerung des Transistors T2 wird verstärkt, wobei der Prozess regenerativ ist, so daß die geregelte Spannung auf der Leitung 10 intermittierend scharf reduziert wird. Wenn der Kondensator C4 entladen wird auf eine Spannung, die nur etwas höher ist als die der Zener-Diode 25, so wird der Transistor T4 erneut abgeschaltet und der regenerative Prozess erzeugt eine scharfe Rückführung der geregelten Spannung auf der Leitung 10 auf ihren hohen Wert. Somit wird eine Reihe von Impulsen erzeugt, die der geregelten hohen Spannung auf der Leitung 10 überlagert werden, wobei in jedem Impuls die Spannung auf der Leitung 10 von der geregelten hohen Spannung reduziert wird.

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Die Zeitkonstante R11 , C4 bestimmt die Periode zwischen aufeinanderfolgenden dieser Impulse, beispielsweise ist diese Periode eine Millisekunde. Die Zeitkonstante R12, C4, mit Zulässigkeit für andere Kapazitäten, wie z.B. dem Kondensator C3, an anderen Stellen der Schaltung, bestimmt die Dauer jedes solchen Impulses, beispielsweise beträgt die Impulsdauer 30 Mikrosekunden. Solche Impulse haben keinen nachteiligen Einfluß auf die erforderliche Temperaturregelung für die Fotodiode.

Der Kondensator C1 ist in Reihe mit einer Diode D7 an den Widerstand R10 gelegt, und ein Punkt zwischen der Diode D7 und dem Widerstand R10 ist über eine Diode D8 mit dem Emitter eines PNP-Transistors T5 verbunden. Der Kollektor des Transistors T5 ist an einen Punkt zwischen den Widerständen R5 und R6 einerseits und andererseits an einen Punkt zwischen der Basis des Transistors T2 und dem Kollektor des Transistors T4 angeschlossen. Die Basis des Transistors T5 ist über eine Diode D9 an ihren Emitter gelegt, sowie über Widerstände R13 und R14 sowohl an die Fotodiode D1 und an den kleineren Kondensator C2. Die Diode D3 ist an einen Punkt zwischen den Widerständen R13 und R14 angeschlossen.

Jede gepulste Reduzierung der hohen Spannung auf der Leitung reicht aus, um zu verhindern, daß die Diode D3 leitet, und der Strom durch die Fotodiode D1 wird aufrechterhalten durch Entladung des kleineren Kondensators C2. Wenn die Fotodiode sich in ihrem Durchbruchszustand befindet, nach einem anfänglichen scharfen Abfall von einigen Volt in der Potentialdifferenz an der Fotodiode, und zwar weil der Stromfluß sich in Durchbruchshöhe befindet, wird der Kondensator C2 langsamer entladen, während die Fotodiode danach in ihren Lawinen-Zustand kommt. Wenn die Bestrahlung der Fotodiode nicht übermäßig stark ist, fällt die Spannung am Kondensator C2 nicht genügend während

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jeder gepulsten Reduzierung der hohen Spannung auf der Leitung 10, um den Transistor T5 leitend zu machen, wobei keine Modifikation der regenerativen Oszillationswirkung der Transistoren T2 und T4 vorliegt.

Wenn der Transistor T 5 leitend ist, wird der Emitterstrom von der einen oder der anderen von zwei Quellen abgeleitet bzw. abgezogen. Eine Quelle umfaßt den geladenen Kondensator C1 und der Strom wird über die Diode D8 zugeführt. Die andere Quelle umfaßt eine ungeregelte Spannungsquelle und der Strom wird von der Diode D5 über einen Kiderstand R15 und eine Diode DIO zum Emitter des Transistors T5 geführt. Diese ungeregelte Spannungsquelle wird auf einen Wert eingestellt, der durch eine Zener-Diode Z6 bestimmt ist, die zwischen einem Punkt zwischen dem Widerstand R15 und der Diode D10 einerseits und der Leitung 11 andererseits liegt.

Es ist möglich, daß der Transistor T5 leitet, obwohl die Fotodiode D1 nicht durch eine übermäßige Strahlungsmenge bestrahlt wird. In einem solchen Fall wird ein weiterer Fotodiodenstrom vom Kondensator C1 über die Diode D8 und den Emitter-Basis-Ubergang des Transistors T5 gezogen. Ein derartiger möglicher Strom ist jedoch klein, so daß der Kondensator C1 nicht merklich oder wesentlich entladen wird und der kleine Kollektorstrom des Transistors T5 ändert die regenerative Schwingungswirkung der Transistoren T2 und T4 nicht merklich.

Wenn jedoch die Fotodiode D1 durch eine zu große Strahlungsmenge bestrahlt wird, ist gewährleistet, daß der Transistor T5 leitet und der Stromfluß vom Kondensator C1 zur Fotodiode reicht aus, daß der Kollektorstrom des Transistors T5 den Transistor T2 in stark leitendem Zustand hält, selbst nachdem

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der Kondensator C4 entladen worden ist. Die zeitweilige Spannungsreduzierung auf der Leitung 10 wird somit verlängert. Die Spannung am Kondensator C1 kann eventuell auf den Wert fallen, der durch die Zener-DioÄe Z6 eingestellt ist. Die ungeregelte Spannungsquelle hält über den Widerstand R15 und die Diode D10 sowie den Emitter des Transistors T5, den Kondensator C1 auf dieser Höhe geladen und sie liefert auch Strom an die Fotodiode Über den Emitter-Basis-Übergang des Transistors T5 und die Widerstände R13 und R14 in einer Stärke, die nicht ausreicht, die Fotodiode zu beschädigen. Die Spannung auf der Leitung 10 wird somit auf demselben Wert gehalten, wie bei jeder gepulsten Reduzierung der geregelten hohen Spannung.

Es ist zu beachten, daß der Kondensator C1 nicht vollständig entladen wird, weil dies dazu führen würde, daß die Spannungsreduzierung für die Leitung 10 eventuell beseitigt wird. Der Kondensator C1 kann nicht wiederaufgeladen werden während für die Leitung 10 die Spannungsreduzierung vorgesehen ist.

Wenn eine übermäßige Bestrahlung der Fotodiode D1 aufhört, so ist der Emitter-Basis-Strom des Transistors T5 in der Lage, den kleineren Kondensator C2 wieder aufzuladen. Der Emitter-Basis-Strom wird reduziert, so daß der Kollektorstrom den Transistor T2 nicht länger voll leitend hält. Die für die Leitung 10 vorgesehene Spannungsreduzierung endet regenerativ, wobei die höhere Rückwärtsspannung an der Fotodiode wiederhergestellt wird. Die Impulse der Spannungsreduzierung werden dann erneut für die Leitung 10 in derselben, vorstehend beschriebenen Weise geliefert.

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Claims

27U719 Patentansprüche

1. Avalanche-Fotodioden-Schaltung mit einer Avalanche-Fotodiode, dadurch gekennzeichnet , daß die Fotodiode eine PN-Ubergangszone in einem Halbleiterkörper hat, die für einfallende Strahlung empfindlich ist, auf die die Fotodiode anspricht, daß das Material des Halbleiterkörpers einen positiven Temperaturkoeffizienten der Durchbruchsspannung hat, daß im Betrieb der Schaltung die Fotodiode erregt wird, indem sie an eine elektrische Energiequelle angelegt wird und die strahlungsempfindliche PN-Ubergangszone in Sperr-Richtung betrieben wird, daß die Rückwärtsspannung durch Spannungsbegrenzungs-Einrichtungen bestimmt wird, daB die Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode anzulegen ist, wahlweise zwischen zwei Werten geändert werden kann, einem höheren Wert gleich einer empirisch abgeleiteten Durchbruchsspannung der Fotodiode bei einer gewünschten Betriebstemperatur der Fotodiode, und einem niedrigeren Wert, der eine empirisch abgeleitete erforderliche RUckwärtsspannung bei der gewünschten Betriebstemperatur enthält, wenn die Fotodiode einfallende Strahlung aufnimmt, wobei die Temperatur der Fotodiode auf dem gewünschten Betriebswert stabilisiert wird und die Durchbruchsspannung bei dieser Temperatur an die Fotodiode gelegt wird, und daß, wenn einfallende Strahlung von der Fotodiode aufzunehmen ist, die Rückwärtsspannung auf diesen niedrigeren erforderlichen Wert reduziert wird, und daß die Aufnahme der einfallenden Strahlung bei einer Temperatur erfolgt, die wenigstens in dem aktiven Bereich, der dem strahlungsempfindlichen PN-Übergang der Fotodiode zugeordnet ist, im wesentlichen auf dem gewünschten Betriebswert liegt.

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ORIGINAL INSPECTED

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine variable Spannung an die Spannungsbegrenzungs-Einrichtung gelegt wird und aufgrund dieser Spannung, die durch einen vorgegebenen Schwellwert läuft, ist die an die Fotodiode angelegte Rückwärtsspannung zwischen einem empirisch ableitbaren höheren und tieferen Wert wechselbar.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die an die Spannungsbegrenzungseinrichtung angelegte variable Spannung eine Spannung enthält, die im wesentlichen Sägezahn-Wellenform hat und durch die Aufladung eines Impulsformungs-Netzwerkes geliefert wird, das von einer Stromquelle gespeist wird.

4. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungsbegrenzungs-Einrichtung eine Kette von wenigstens zwei Zener-Dioden aufweist, die in Reihe zueinander liegen, daß die Kette teilweise parallel zu der Fotodiode geschaltet ist, daß der Teil der Zener-Dioden-Kette, der parallel zur Fotodiode geschaltet ist, die untere Rückwärtsspannung bestimmt und daß die ganze Kette von Zener-Dioden die hohe Rückwärtsspannung bestimmt, die an die Fotodiode angelegt wird.

5. Schaltung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Spannungsbegrenzungs-Einrichtung eine geregelte Spannungsquelle aufweist, daß die untere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird, durch einen Potentialteiler bestimmt ist, der an die geregelte Spannungsquelle gelegt ist, und daß die höhere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird, auf den Ausgang der geregelten Spannungsquelle bezogen ist.

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6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein erster Kondensator mit der Fotodiode gekoppelt und an wenigstens einen Teil der Spannungsbegrenzungs-Einrichtung gelegt ist, daß er auf dieselbe Spannung wie die an diesem Teil liegende Spannung geladen wird, daß ein zweiter Kondensator mit der Fotodiode gekoppelt ist und auf dieselbe Spannung wie die höhere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird, geladen wird, und daß beide Kondensatoren entladbar sind, um einen Strom an die Fotodiode zu liefern, wobei der zweite Kondensator sich teilweise entlädt, ehe die Spannung am ersten Kondensator zu fallen beginnt.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine konstante Spannung an die Spannungsbegrenzungs-Einrichtung gelegt wird und diese eine Kette von wenigstens zwei Zener-Dioden, die in Reihe zueinander liegen, aufweist, daß die Kette wenigstens teilweise parallel zur Fotodiode geschaltet ist, daß die gesamte Kette von Zener-Dioden die höhere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird, bestimmt, daß ein Teil der Zener-Dioden-Kette die nierigere Rückwärtsspannung bestimmt und daß Spannungs-Schalteinrichtungen vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß der Rest der Zener-Dioden-Kette bei Betätigung der Schalteinrichtung überbrückbar ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Schutz der Fotodiode vor Beschädigung aufgrund eines Stromflusses durch sie, wenn die auf die Fotodiode einfallende Strahlungsstärke größer als die Norma!werte sind und wenn dieser Strom über eine längere

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Zeitspanne fließt, die ausreichen würde, die Fotodiode zu überhitzen.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzeinrichtung für die Fotodiode eine Hilfs-Fotodiode aufweist, die im wesentlichen in derselben Richtung wie die Haupt-Fotodiode orientiert ist, daß ferner dann, wenn die Hilfs-Fotodiode feststellt, daß die einfallende Strahlung stärker ist als die normal auftretenden Strahlungsstärken, die höhere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt ist, reduziert wird.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzeinrichtung für die Fotodiode eine Hilfs-Fotodiode aufweist, die im wesentlichen in derselben Richtung wie die Haupt-Fotodiode orientiert ist, und daß dann, wenn die Hilfs-Fotodiode eine einfallende Strahlung feststellt, deren Intensität stärker ist als die normal auftretenden Größen, der der Haupt-Fotodiode zugeführte Strom reduziert wird.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfs-Fotodiode eine niedrigere Ansprechempfindlichkeit als die Haupt-Fotodiode hat.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfs-Fotodiode einen breiteren Blickwinkel als die Haupt-Fotodiode hat.

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13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzeinrichtung für die Fotodiode Einrichtungen aufweist, um intermittierend die höhere Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird, zu reduzieren, ferner Einrichtungen, um wenn die höhere Rückwärtsspannung reduziert worden ist, einen Stromfluß durch die Fotodiode festzustellen, der ein Anzeichen für einen Strahlungseinfall auf die Fotodiode ist, dessen Intensität stärker als die normalerweise auftretenden Werte ist, und daß aufgrund dieser Feststellung die höhere Rückwärtsspannung nicht voll wiederangelegt wird, wenigstens über eine Periode, die lang genug wäre, uir. die Fotodiode zu beschädigen, bis die Intensität der einfallenden Strahlung auf eine normale Stärke reduziert ist.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur intermittierenden Reduzierung der höheren Rückwärtsspannung, die an die Fotodiode gelegt wird, einen Oszillator mit einer regenerativen Wirkung aufweist.

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