Физические основы фоторезистивных измерительных преобразователей

В основе работы резистивных измерительных преобразователей световых величин лежит использование внутреннего фотоэффекта в полупроводниках:  

.                              (3.46)

Физическая сущность данного эффекта заключается в генерации фотонами электронно-дырочных пар в полупроводнике, что сопровождается последующей их рекомбинацией. Кинетика этих процессов включает в себя и тепловую генерацию свободных носителей зарядов. Поэтому при эксплуатации полупроводниковых преобразователей нужно учитывать влияние температуры.

При отсутствии светового потока (Ф = 0) происходит тепловая генерация носителей зарядов, что обуславливает наличие «темнового тока», зависящего от температуры окружающей среды:

.                        (3.47)

В связи с этим, при измерении слабых световых потоков с целью повышения чувствительности специально охлаждают фотоприемник.

В состоянии генерационно-рекомбинационного равновесия уравнение кинетики имеет вид:  

,

где: - концентрация электронов или дырок при Ф = 0;

n - концентрация носителей зарядов;

r – коэффициент рекомбинации носителей зарядов.

Зависимость определяет влияние температуры на «темновой ток» преобразователя. При освещении (Ф ) кванты света с энергией ( ) генерируют заряды. При этом происходит их рекомбинация, зависящая от многих факторов, в том числе и от геометрии фоторезисторов.

,                               (3.48)

где: η – КПД выхода электронов в результате фотоэффекта,

    R – коэффициент отражения,

   V - объем фотоприемника.

Так как процесс рекомбинации зарядов пропорционален квадрату концентрации электронов:

,                  (3.49)

то функциональную зависимость удельного сопротивления фоторезистора от величины светового потока без учета «темнового» тока можно представить упрощенной зависимостью:                  

ρ ~ .                                   (3.50)

Если поверхность фоторезистора специально сделать большой по сравнению с объемом фоторезистора, например, гребенчатой формы, то это приведет к накоплению зарядов в объеме полупроводника. При протекании тока через такой фотоприемник происходит усиление выходного сигнала по сравнению с обычной конструкцией преобразователя за счет использования явления накопления зарядов в объеме полупроводника. 

Рисунок 3.33  Устройство и принцип работы высокочувствительного фоторезистора.

 

Опрос электрическим полем такого фотоприемника производится периодически, обеспечивая режим накопления зарядов:

;           (3.51)

где - постоянные времени рекомбинации и опроса,

       К – коэффициент усиления фоторезистора.

Фотоэлементы с накоплением заряда используются для измерения сверхслабых световых потоков.

                   

 Рисунок 3.34  Схемы включения полупроводникового фото­элемента в генераторном и параметрическом режимах работы.

 

Фоторезисторы изготавливают из полупроводниковых гомогенных, гетерогенных, моно- и поликристаллических материалов с собственной и примесной проводимостью. При этом значения сопротивлений фоторезисторов имеют широкий диапазон: .

При использовании фоторезисторов в качестве измерительных преобразователей необходимо учитывать ряд особенностей их работы, в том числе:

· время установления величины тока через фоторезистор при резком изменение светового потока неодинаково при уменьшении и увеличении светового потока, т.к. генерация электронов происходит значительно быстрее, чем их рекомбинация, что приводит к искажению сигнала на выходе преобразователя и задержке его во времени;

· увеличение чувствительности фоторезисторов приводит к уменьшению их быстродействия ( );

· быстродействие и чувствительность фоторезисторов зависят от уровня освещенности и температуры, при повышении интенсивности светового потока и температуры преобразователя его метрологические характеристики ухудшаются;

· собственные шумы фоторезистора связаны с тепловым возбуждением и флуктуациями процессов генерации и рекомбинации электронов;

· нужно учитывать влияние неравномерности тепловых полей, окружающих фоторезистор, температуру элементов конструкций и т.п.

Внешние шумы (обусловленные тепловым излучением окружающих предметов и т.п.) влияют на метрологические характеристики измерительных преобразователей, поэтому фоторезисторы необходимо защищать от влияния внешних воздействий, при необходимости требуется производить их дополнительное  охлаждение.

В настоящее время на основе полупроводниковых материалов, создаются и широко применяются разнообразные типы фотоэлектронных преобразователей, предназначенных для измерения и контроля различных физических величин: фотодиоды и фототранзисторы; фотодиодные линейки и матрицы на их основе; приборы с зарядовой связью (ПЗС - матрицы) и другие типы фотопреобразователей.

 

Контрольные вопросы к главе 3

 

1. Перечислите достоинства и недостатки резистивных измерительных преобразователей.

2. Приведите примеры практического применения пьезорезистивного эффекта.

3. Каким образом можно снизить влияние изменения температуры окружающей среды на рабочие характеристики тензорезистивных измерительных преобразователей?

4. Объясните физическую природу механизма тензочувствительности проводников и полупроводников.

5. В чем заключается отличие физической природы магниторезистивного эффекта в проводниках и полупроводниках?

6. Почему повышение температуры и интенсивности светового потока приводит к снижению чувствительности фоторезистивных преобразователей?

7.  Объясните механизм усиления сигнала в фоторезистивных преобразователях.

⇐ Предыдущая30313233343536373839Следующая ⇒

Поделиться: