Фотоприемники оптического диапазона излучения

В настоящее время промышленностью выпускаются разнообразные типы датчиков для широкого спектра электромагнитных излучений. Например, датчики для рентгеновского, ультрафиолетового, видимого и инфракрасного диапазонов излучений.

Наиболее широко фотоприемники могут быть разделены на две группы: термодетекторы и квантовые детекторы. В термодетекторах поглощение фотонов приводит к нагреванию объема приемника. В основе работы квантовых оптических приемников лежит реализация внутреннего и внешнего фотоэффекта. Ширина запрещенной зоны в полупроводниковых приемниках служит тем порогом, ниже которого материал является уже не фоточувствительным. Но не следует представлять этот порог в виде резкой границы, так как энергия связи электронов с атомом подчиняется распределению случайных величин. Поэтому вероятность перехода для каждого электрона в зону проводимости не одинакова. Это обусловливает вид спектральной характеристики интенсивности фотоэффекта от длины волны в виде АЧХ.

При выборе типа фотоприемника необходимо принимать во внимание следующие критерии:

· чувствительность на соответствующей длине волны;

· собственные шумы преобразователя;

· линейность характеристики;

· скорость отклика;

· стабильность;

· совместимость с измерительной системой в целом.

В качестве квантовых приемников оптического излучения используют: фоторезисторы, фотодиоды (гальванический и резистивный режимы), фототранзисторы (с возможностью дополнительного усиления фототока), фототиристоры и т.п.

Приборы с внешним, или поверхностным фотоэффектом, основным примером которых является фотоумножитель. Приборы с внутренним фотоэффектом: полупроводниковые фотодектекторы (фоторезисторы, фотодиоды и т.п.). Фоторезисторы менее точны, стабильны, используются в системах оптического переключения, световой охранной сигнализации, фотографических экспонометрах и т.п.   

Наиболее широко распространены фотодиоды. При взаимодействии фотона, обладающего достаточной энергией, с веществом детектора образуется электронно-дырочная пара. Поле перехода разделяет эти носители заряда в направлении соответствующих электродов. Величина фототока зависит от числа фотонов и эффективности их преобразования в электрические заряды. Реализуют режимы фотопроводимости и фотогальванический.

Для повышения чувствительности фотоприемники охлаждают (используют эффект Пельтье), при этом частотная характеристика смещается в сторону больших длин волн, но при этом снижается и быстродействие устройств. Преимуществом фотодиодов и фототранзисторов по сравнению с фотосопротивлениями являются более высокая чувствительность, быстрое время отклика, меньшие размеры, лучшая стабильность, высокая линейность. Фотоприемник предназначен для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоумножители и другие элементы.

Рисунок 5.6 Обозначения, конструкции и характеристики полупроводниковых фотоприемников

Фоторезисторы

Фоторезистор - полупроводниковый элемент, изменяющий свое электрическое сопротивление под действием внешнего излучения. Его принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках. Фоторезистор представляет собой слой (или пленку) полупроводникового материала на подложке (или без нее) с нанесенными на него электродами, посредством которых прибор подключается к электрической цепи. Под действием потока излучения, падающего на рабочую поверхность фоторезистора, его внутреннее сопротивление уменьшается вследствие генерации пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), за счет чего увеличивается электропроводность полупроводника.

В качестве фоточувствительного материала в отечественных фоторезисторах широкого применения используются сульфиды и селениды кадмия и свинца (CdS, PbS, CdSe, PbSe). Материалы на основе кадмия чувствительны к излучениям в видимой и ближней инфракрасной областях, а на основе свинца - на длинах волн 1-5 мкм. Представление о параметрах и характеристиках фоторезисторов, выпускаемых отечественной промышленностью, можно получить, ознакомившись с данными таблице 5.4.

Таблица 5.4 Параметры некоторых отечественных фоторезисторов

Фоторезистор	Материал	Размеры элемента, мм	Темновое Rт сопротивление, МОм	Rт/Rсв не менее	Темновой ток, мкА	Ток (при E = 200 лк), мА
ФСK-0	CdS	4ґ7,2	1	140	15	15
СФ2-1	CdS	0,5ґ1,5	15	1000	1	1
ФПФ7-1	CdS	3,7ґ2	6	50	6	0,3
ФСД-1	CdSe	4ґ7,2	2	150	10	1,5
СФ3-2	CdSe	6ґ12	5	500	1	0,5
ФСА-4	PbS	4ґ6	0,04	1,2	Сведений нет	Сведений нет
СФ4-3Д	PbSe	3ґ3	0,2	Сведений нет	Сведений нет	Сведений нет

Световая характеристика фоторезистора I(Ф) линейна при небольших световых потоках, что соответствует закону Столетова, установившего, что число электронов, освобожденных светом за 1 с (т.е. ток), прямо пропорционально световому потоку при неизменном его спектральном составе: I = SФ, где I - фототок, Ф - световой поток, S - коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотоприемника.

Фоторезистор ведет себя как омическое сопротивление, т.е. его сопротивление не зависит ни от приложенного напряжения, ни от его знака.

При малых значениях освещенности сопротивление фоторезистора существенно зависит от температуры. Столь же заметным недостатком фоторезисторов при малых освещенностях является инерционность - при освещенности менее 1 лк время установления нового значения может составлять несколько секунд.

Достоинством фоторезисторов является высокая чувствительность, сравнимая с чувствительностью фотоумножителей. К положительным характеристикам фоторезистора следует отнести возможность создания рабочих поверхностей приемника различной площади и протяженности, что позволяет использовать их в качестве элемента управления довольно значительными токами и в качестве датчиков перемещений объектов контроля в диапазоне нескольких миллиметров.

Фотодиоды

Фотодиод - фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n-переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом). При освещении р-n-перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока носителей совпадает с направлением обратного тока перехода, т.е. с ростом освещенности возрастает обратный ток фотодиода.

Фотодиод может работать в двух режимах - фотодиодном и фотогенераторном. В фотодиодном режиме прибор подключается к источнику питания, при этом на анод должен подаваться «-», а на катод «+». Этому режиму соответствуют зависимости в III квадранте вольт-амперной характеристики. Зависимости, приведенные в IV квадранте, отражают фотогенераторный режим работы, когда фотодиод может использоваться без источника питания, так как сам становится источником фотоэдс, генерируя (под действием света) носители зарядов - свободные электроны. Благодаря этому фотодиод пригоден для получения электроэнергии (один фотодиод способен генерировать напряжение в диапазоне 0 - 0,4 В в зависимости от тока нагрузки, как правило, микроамперного). Материалом для изготовления фотодиодов часто служат германий и кремний. Спектральная чувствительность германиевых фотодиодов находится в диапазоне 0,5-1,7 мкм (с максимумом на длине волны 1,2 - 1,65 мкм), а кремниевых - между 0,6 - 1 мкм (максимум на длине волны 0,8-0,95 мкм). Фотодиоды обладают большим быстродействием (особенно в фотодиодном режиме), чем фотосопротивления - они обычно способны реагировать на сигналы частотой до 10 МГц. Фотодиоды с p-i-n-переходом (введение области i повышает быстродействие) способны работать с высокочастотными сигналами порядка 1 ГГц . Характеристики некоторых отечественных фотодиодов приведены в таблице 5.5.

Таблица 5.5 Параметры некоторых отечественных фотодиодов

Фото- диод	Мате- риал	Размеры элемента, мм	Темновой ток, мкА	Рабочее напряжение, В	Максимальная спектральная чувствительность, мкм	Интегральная чувствительность, мА/лм
ФД-8K	Si	2ґ2	1,0	20	0,85–0,92	0,000006
ФД-27K	Si	1,9ґ1,9	1,0	20	0,80–0,95	0,0000075
ФД-256	Si	1,4ґ1,4	0,005	10	0,75–0,90	6,0
ФД-1	Ge	Ж 5	30,0	20	1,50–1,60	30,0
ФД-7Г	Ge	Ж 2,5	8,0	10	1,50–1,55	10,0

Благодаря простоте и миниатюрности конструкции, широкому спектру чувствительности, высокому быстродействию, возможности автономного (собственного) питания и вариантности схем включения фотодиоды нашли широкое промышленное применение в качестве датчиков положения, счета продукции, световых барьеров, высокочастотных преобразователей световых сигналов в электрические (в оптических линиях связи) и т.п.

Фотоэлементы

Фотоэлемент - полупроводниковый фотодиод, оптимизированный для прямого преобразования излучения в электрическую энергию. Для их обозначения часто используются также термины «солнечные элементы», «солнечные батареи». Солнечные элементы работают только в фотогенераторном режиме, функционально выступая в качестве электрических источников питания.

Рабочая площадка отдельного фотоэлемента может достигать площади в несколько квадратных сантиметров, а множество фотоэлементов, объединенных в батареи или панели, могут иметь (как, например, на космических станциях) площадь, измеряемую в квадратных метрах, вырабатывать напряжение в десятки вольт и давать ток в сотни ампер. Общеизвестно применение фотоэлементов в качестве датчиков освещенности в люксметрах и экспонометрах. Часто в качестве базового фоточувствительного материала в фотоэлементах используется селен или кремний. Параметры некоторых отечественных селеновых фотоэлементов представлены в таблице 5.6.

Таблица 5.6 Параметры некоторых отечественных селеновых фотоэлементов

Фотоэлемент	Площадь фоточувствительной площадки, см²	Фототок, мкА	Освещенность при измерении фототока, лк
Ф-32С	4,6	6	105
Ф-36С	2,85	40	250
Ф-42С	6,4	6	22
Ф-54С	27,0	110	100
Ф-54С	27,0	550	500

Вследствие больших площадей фоточувствительных поверхностей фотоэлементы обладают существенной инерционностью и поэтому применяются как фотоприемники лишь для контроля сравнительно медленно меняющихся световых потоков (или освещенности).

Фототранзисторы

Фототранзисторы представляют собой тип дискретных опто-электронных фотоприемников, наиболее характерными чертами которого являются наличие механизма встроенного усиления (отсюда высокая фоточувствительность) и схемотехническая гибкость, обусловленная наличием третьего (правда, не всегда выводимого), управляющего электрода. В схемах замещения фототранзистор рассматривается как транзистор с фотодиодом, включенным между базовой (анодом к базе) и коллектором этого транзистора (как правило, типа n-р-n). Ток фотодиода является базовым током транзистора и управляет током его коллектора.

Решение о том, нужно ли подключать к схеме (в которой используется фототранзистор) базовый электрод или оставить его неподключенным, зависит от выбранной схемы. Фототранзисторы, у которых базовый электрод вообще не выведен, иногда называют двойным фотодиодом.

Чувствительность фототранзистора значительно выше, чем у фотодиода, за счет внутреннего усиления (коэффициент усиления K_у обычно равен 50-200). Еще большее усиление может быть получено в составном фототранзисторе (K_у = 1000 - 10000). В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность (таблица 5.7), что ограничивает область их применения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями.

Таблица 5.7  Сравнение параметров фотоприемников различных типов

Фотоприемник	Kоэффициент передачи, %	Полоса частот, МГц
Фотодиод	0,1	0–10
Фототранзистор	30	0–0,3
Составной фототранзистор	300	0–0,03

Спектральная чувствительность у фототранзисторов такая же, как у соответствующих фотодиодов. Область применения фототранзисторов схожа с областью применения фотодиодов, с учетом их меньшего быстродействия и большего коэффициента передачи, например, при слабых световых сигналах, при больших (в сравнении с фотодиодом) расстояниях между источником света и фотоприемником. Параметры некоторых отечественных фототранзисторов приведены в таблице 5.8.

Таблица 5.8 Параметры отечественных фототранзисторов

Фото-транзистор	Размеры элемента, мм2	Темновой ток, мкА, не более	Рабочее напряжение, В	Максимальная спектральная чувствительность, мкм	Интегральная чувствительность, мкА/лк	Импульсная постоянная времени, с
ФТ-1K	2,8	3	5	0,8–0,9	0,4	0,00008
ФТ-2Г	1,0	500	12–24	1,5–1,6	2,0	0,00001
ФТ-3	3,0	60	5–10	1,5–1,55	1,0	0,0001
ФТГ-5	3,0	50	5–10	1,5–1,55	1,0	0,00002
KТФ109А	2,0	Сведений нет	5	0,83	0,25 А/Вт	Сведений нет

Фототранзисторы применяют в качестве аналоговых и ключевых приемников излучения, а также в оптопарах.

Фототиристоры

Фототиристор - это тиристор, который включается воздействием светового потока. При освещении фототиристора в полупроводнике генерируются носители заряда обоих знаков (электроны и дырки), что приводит к увеличению тока через тиристор на величину фототока.

Фототиристор имеет четырехслойную р-n-р-n-структуру, которую, как и в обычном тиристоре, можно представить в виде комбинации двух транзисторов, имеющих положительную обратную связь по току. Переход фототиристора под действием светового управляющего сигнала из закрытого состояния в открытое осуществляется при достижении уровня тока срабатывания I_ср скачком после преодоления определенного потенциального барьера.

Основное достоинство фототиристоров - способность переключать значительные токи и напряжения слабыми световыми сигналами - используется в устройствах «силовой» оптоэлектроники, таких, как системы управления исполнительными механизмами, выпрямителями и преобразователями. Как и фототранзисторы, фототиристоры часто применяются совместно с подобранными по характеристикам излучателями, в виде оптопар.

⇐ Предыдущая26272829303132333435Следующая ⇒

Поделиться: