Главная | Обратная связь

Основные виды фотоприемников излучения

 

Фотоэлектрические приемники излучения используют внешний и внутренний фотоэффекты. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом -это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия этих фотоэлементов заключается в том, что кванты света, достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фототок.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом – это фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы. В дальнейшем будем рассматривать только фотоэлементы с внутренним фотоэффектом.

 

Фоторезисторы

Представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта.

Спектральные характеристики фоторезисторов представлены на рисунке 1 и определяются свойствами используемых полупроводниковых материалов.

Кривая 1 характеризует фоторезисторы из сернистого свинца (тип ФС-А), кривая 2 – из селенида кадмия (тип ФС-Д), кривая 3 – из поликристаллов кадмия (тип ФС-К) и кривая 4 из монокристаллов сернистого

Рисунок 1 кадмия (тип ФС-КМ).

Вольтамперные характеристики фоторезисторов линейны в пределах допустимых мощностей рассеяния. Постоянные времени составляют 10^-2-10^-5 с.

Порог чувствительности фоторезисторов определяются дрейфом темнового сопротивления и шумами различных видов. Дисперсия дробового и теплового шумов определяется соответственно формулами:

Где к – постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура; Δf- полоса частот; e- заряд электрона; i₀ – среднее значение тока через фоторезистор. Избыточный шум (шум вида 1/f) обусловлен неоднородностью структуры материала чувствительного слоя приемника. Дисперсию избыточного шума определяют по формуле (5):

Где А=10^-11-10^-12- постоянный коэффициент. Фотонный шум определяется флуктуациями числа фотонов, попадающих на фотоприемник.

Характеристики фоторезисторов (темновое сопротивление, чувствительность, инерционность) зависят от температуры. Темновое сопротивление и чувствительность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени τ, определяющая быстродействие фотоэлемента, увеличивается. Для большинства фоторезисторов допустимый температурный диапазон составляет от –60 до +60⁰С.

Следует отметить, что фоторезисторы могут иметь самые разнообразные конструктивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, кольцевой формы и т.д. Конструкция фоторезистора ФСК-1 показана на рисунке 2,а. Представляют интерес дифференциальные фоторезисторы, которые имеют три вывода и могут прямо включаться в дифференциальные измерительные цепи. Дифференциальный фоторезистор типа ФСК-7А изображен на рисунке 2,б. Позиционно-чувствительные фоторезисторы выполняют роль бесконтактных реохордов и делителей тока, управляемых перемещением светового пятна. Конструкция такого фоторезистора показана на рисунке 2,в. На диэлектрической подложке нанесены фоторезистивная полоса 1, высокоомный резистивный слой 2 и низкоомный резистивный слой 3, представляющий собой эквипотенциальный коллектор. Фоторезистор освещается световым зондом 4. Эквивалентная схема фоторезистора показана на рисунке 2,г, где R- сопротивления отдельных участков резистивного слоя 2; g_т и g_с – соответственно темновая и световая проводимости участков фоторезистора; С - емкость между резистивным слоем 2 и коллектором 3. Схема деления напряжения в предположении, что g_T, g_с и С стремятся к нулю, показана на рисунке 2,д. Лучшие фотопотенциометры имеют разрешающую способность 1- 10 мкм.

Фоторезисторы широко применяются в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда возможно как в направлении, перпендикулярном электродам (рисунок 2,е), так и в направлении, параллельном электродам (рисунок 2,ж). В первом случае проводимость резистора определяется формулой (6):

Где R_темн - темновое сопротивление; n- кратность изменения сопротивления при заданной освещенности; η=h_осв/h- отношение ширины освещенной части к полной ширине элемента.

 

 

Рисунок 2

Полагая, что в начальном положении η=0,5 и

можно найти относительное изменение

проводимости в зависимости от относительного перемещения как (10)

(11)

При кратностях изменения сопротивления n>100 значение

При смещении светового пятна параллельно электродам начальное сопротивление фоторезистора R₀ при η=l_осв/l=0,5 составляет R₀=0,5R_темн*(n+1)/n (12). Относительное изменение сопротивления определяется как ΔR/R₀=ε*(1-n)/(1+n) (13) и равно ΔR/R₀=ε при n>100 и ΔR/R₀=0.99*ε (14) при n=1,2.

 

1.4. Фототранзисторы. Фотодиоды.

 

Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ) относятся к группе полупроводниковых фотоприемников. В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель фототока. ФД могут работать в двух режимах – фотогенераторном (вентильном) и фотодиодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении p-n- пере

хода ток увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

Рисунок 3

На рисунке 3,а показаны световые характеристики ФД, на рисунке 3,б – вольтамперные характеристики ФД, там же проведены прямые, соответствующие нагрузочным характеристикам ФД в генераторном режиме при большом (прямая 1) и малом (прямая 2) сопротивлениям нагрузки и в фотодиодном режиме (прямая 3). Из приведенных характеристик очевидно, что фотодиодный режим характеризуется наличием темнового тока, возрастающего при увеличении приложенного напряжения. Напряжение холостого хода U_xx в фотогенераторном режиме (рис. 3,б) не превышает 0,2 – 0,5 В (потенциальный барьер) и увеличивается при увеличении освещенности лишь до значений Характеристика I_к.з.= f (E) обладает большой линейностью, ток пропорционален освещенности до значения:

. Линейность характеристик в фотодиодном режиме наблюдается до освещенностей: -для германиевых ФД и Е=10⁵ –для кремниевых ФД. Характеристики относительной спектральной чувствительности кремниевых (кривая 1) и германиевых (кривая 2) ФД приведены на рисунке 3,в.

Интегральная чувствительность серийно выпускаемых ФД и ФТ определяется в фотодиодном режиме при освещенности от стандартного источника с цветовой температурой T_цв.= 2360 К как

Для кремниевых ФД порог чувствительности может достигать 10^-13 –10^-14 Вт*Гц^-0.5, для германиевых 10^-12 Вт*Гц^-0.5. Для реализации низких порогов входные сопротивления усилителей, используемых с ФД, должны быть в диапазоне 5-50 МОм.

Инерционность ФД определяется временем пролета носителей (10^-8-10^-9 с) и постоянной времени RC-цепи, образованной емкостью p-n-перехода и последовательно включенной с ней суммой сопротивлений собственно ФД и нагрузки R_н. Емкость p-n-перехода для фотодиодов составляет в зависимости от площади перехода 10 – 100 пФ и уменьшается с увеличением обратного напряжения, приложенного к переходу. При напряжениях примерно равных 10 В и сопротивлениях нагрузки не превышающих 10 – 100 кОм, частотный диапазон может достигать 0,1 – 1 МГц. Специальные ФД имеют частотный диапазон до 10⁸ – 10⁹ Гц. Характеристики ФД зависят от температуры. Для кремниевых ФД в генераторном режиме напряжение U_хх падает с уменьшением температуры примерно на 2,5 мВ/К, ток короткого замыкания увеличивается, относительное изменение тока составляет около 3*10^-3 К^-1. При повышении температуры максимум спектральной чувствительности смещается в сторону длинноволнового излучения, монохроматическая чувствительность увеличивается на 0,002 К^-1. Очень сильно зависит от температуры темновой ток, увеличиваясь при повышении температуры от 20 до 60⁰ С в сотни раз. На рисунке 4 приведены зависимости темновых токов от температуры для кремниевых (рис. 4,а) и германиевых (рис. 4,б) ФД.

Рисунок 4

Характеристики некоторых ФД и ФТ приведены в таблице 5

Тип фотоприемника	Площадь чувствительной поверхности, мм2	Рабочее напряжение, В	Интегральная чувствительность, мА/лм	Темновой ток, мкА	Постоянная времени, с
ФД-1					5*10-5
ФД-2					5*10-5
ФД-3					5*10-5
ФД-5Г					(3-5)*10-6
ФД-6К					(3-5)*10-6
ФД-7К			2,5		10-7
ФД-9К	19,6				10-7
					-
			0,7		3*10-6
ФТ-1К					-
ФТК-3					10-4

Таблица 5

В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей (рисунок 6,а) или мостовые измерительные цепи (рисунок 6,б), позволяющие в известной степени уменьшить влияние дрейфа темнового тока. ФД по напряжению хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому используются обычно в схемах совместно с операционными усилителями (рисунок 6,в).

Рисунок 6