 |
|
Оптоэлектронные приемники излучения
Приемники оптического излучения (фотоприемники) предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. В качестве фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фотоумножители и другие элементы. Вакуумные фотоэлементы из-за малой чувствительности и нелинейности характеристик не нашли широкого применения.
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 (СdS, РbS, СdSе, РbSе). 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 табл. 3.3.
Табл. 3.3
Характеристики фоторезисторов
| Фоторезистор | Материал | Размеры элемента, мм | Темновое Rт сопротивление, МОм | R/Rсв не менее | Темновой ток, мкА | Ток (при Е = 200 лк), мА |
| ФСК-0 | СdS | 4´7,2 | ||||
| СФ2-1 | CdS | 0,5´1,5 | ||||
| ФПФ7-1 | CdS | 3,7´2 | 0,3 | |||
| ФСД-1 | CdSe | 4´7,2 | 1,5 | |||
| СФЗ-2 | CdSe | 6´12 | 0,5 | |||
| ФСА-4 | РbS | 4´6 | 0,04 | 1,2 | Сведений нет | Сведений нет |
| СФ4-ЗД | PbS | 3´3 | 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.
Как показано на рис. 3.7, а,используя полупроводники типа п и р,создать p-n-переход, то, даже когда на него извне не подается никакого электрического напряжения, внутри перехода возникает электрическое поле
(рис. 3.7, б). При этом, если на p-n-переход падает свет, то электроны ковалентной зоны, поглотившие его, переходят в зону проводимости и таким образом формируются свободные электроны и дырки. Они под воздействием внутреннего электрического поля направляются соответственно в сторону слоя n или р,т. е. возникает электрический ток. Ток, протекающий при коротком замыкании выводов от полупроводников р- и n-типа, называются током короткого замыкания.
В случае размыкания электроны и дырки, заряженные соответственно отрицательно и положительно, создают между полупроводниками р и n типа напряжение размыкания. Этими явлениями и характеризуется фотогальванический эффект, а детекторный элемент, работающий по такому принципу, называется фотодиодом.
а б в
Рис. 3.7. Энергетические зоны и принцип действия фотодиода,
основанного на фото гальваническом эффекте:
а – перед созданием p-n-перехода; б – без освещения p-n-перехода;
в – при освещении p-n-перехода
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 «+». В фотогенераторном режиме работы фотодиод используется 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 р-i-n-переходом (введение области i повышает быстродействие) способны работать с высокочастотными сигналами порядка 1 ГГц. Характеристики некоторых отечественных фотодиодов приведены в табл. 3.4.
Табл. 3.4
Характеристики фотодиодов
| Фотодиод | Материал | Размеры элемента, мм | Темновой ток, мкА | Рабочее напряжение, В | Максимальная спектральная чувствительность, мкм | Интегральная чувствительность, мА/лм |
| ФД-8К | Si | 2 ´ 2 | 1,0 | 0,85 – 0,92 | 0,000006 | |
| ФД-27К | Si | 1,9 ´ 1,9 | 1,0 | 0,80 – 0,95 | 0,0000075 | |
| ФД-256 | Si | 1,4 ´ 1,4 | 0,005 | 0,75 – 0,90 | 6,0 | |
| ФД-1 | Ge | 0,5 | 30,0 | 1,50 – 1,60 | 30,0 | |
| ФД-7Г | Ge | 02,5 | 8,0 | 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 том числе и в полиграфическом оборудовании) в качестве датчиков положения, счета продукции, световых барьеров, высокочастотных преобразователей световых сигналов в электрические (в оптических линиях связи) и т.п.
Светоприемные приборы (световые детекторы), если их классифицировать по области применения, используемым материалам и по другим признакам, весьма разнообразны. Например, высокочувствительный фотоэлектронный умножитель, устройство с термопарой для измерения температуры в зависимости от падающего света; элемент Голея, содержащий наполненный газом резервуар, давление в котором увеличивается вследствие теплового движения газа под воздействием светя, и многие другие приборы.
Для датчиков нужны светоприемные приборы, удовлетворяющие ряду требований, в первую очередь требованию малогабаритности, малого потребления мощности, высокой чувствительности, быстрой реакции. Среди подобных устройств здесь рассматриваются полупроводниковые приборы, в частности p-i-n-диоды и лавинные фотодиоды.
Описываемые здесь приборы относятся к квантовым светоприемным устройствам. В них используется внутренний фотоэффект – явление, при котором электроны, находящиеся в валентной зоне полупроводника или зоне примесного уровня, при поглощении света возбуждаются и переходят в зону проводимости. Процессы, происходящие в светоприемных приборах, носят обратный характер по отношению к индуцированному излучению, составляющему принцип работы лазера.
К внутреннему фотоэффекту относится эффект фотопроводимости, при котором под воздействием света изменяется сопротивление полупроводника, а также фотогальванический эффект, при котором под воздействием света на краях зоны p-n-перехода возникает эдс. В приборах, основанных на эффекте фотопроводимости, используются материалы CdS, CdSe, PbS и др. В фотогальванических приборах используются полупроводники с p‑n‑переходом. Кроме того, солнечные батареи, которые служат источником электроэнергии, также представляют собой светоприемные приборы с большой площадью рабочей поверхности.
На рис. 3.8 представлены типичные структуры фотодиодов. Мезаструктура, полученная травлением (рис. 3.8, а), используется в солнечных батареях, фотоэлектрических переключателях, фотодиодах для устройств считывания с перфокарт и перфолент. На рис. 3.8, б показана планарная структура, в которой на поверхности кристалла кремния экспонируется p-n-переход, затем это место защищается оксидной пленкой, поэтому темновой ток (ток, протекающий при отсутствии светового облучения элемента и вызываемый диффузией носителей, процессом их генерации – рекомбинации) мал. Следовательно, обеспечивается весьма высокая чувствительность и большой динамический диапазон.
а б
Рис. 3.8. Структуры фотодиодов
В p-i-n-фотодиодах, как показано на рис. 3.9, в области p-n-перехода уменьшено количество примесей и создан так называемый собственный слой с малым числом электронов и дырок (intrinsic layer, i-слой). При этом p-n-переход получается несколько толще, а электрическая емкость перехода уменьшенной, что способствует повышению быстродействия.
Если на p-n-переход подать обратное напряжение смещения, то электрические заряды в нем исчезнут: электроны «подтянутся» к положительному полюсу (n-слой), а дырки – к отрицательному полюсу (р‑слой). Таким образом можно создать условия, при которых в i-слое отсутствуют носители (обедненный слой). Благодаря обратному напряжению смещения возникает высокий электрический потенциал. При попадании в p‑n-переход света внутри обедненного слоя возникают электроны и дырки, но благодаря высокому электрическому потенциалу электроны устремляются с большой скоростью к положительному полюсу, а дырки – к отрицательному, что проявляется в виде тока диффузии и может быть зафиксировано снаружи. В результате подобного ускорения носителей также достигается высокое быстродействие прибора.
Сила тока, получаемого от фотодиодов, т. е. фототока, выражается следующей формулой:
,
где е – элементарный электрический заряд;
Р0– мощность падающего света;
hν –энергия фотона;
η – квантовый выход (соотношение количества электронов и фотонов).
Для повышения чувствительности и быстродействия необходимо увеличить толщину обедненного слоя, повысив обратное напряжение смещения и тем самым уменьшив емкость перехода. Кроме того, коэффициент поглощения света уменьшается с ростом длины световой волны, поэтому необходимо увеличивать зону перехода.
Рис 3.9. Принцип действия (а)и энергетические зоны (б) p-i-n-фотодиода
Фотоэлементы.Фотоэлемент – полупроводниковый фотодиод, оптимизированный для прямого преобразования излучения Солнца 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 табл. 3.5.
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 оптоэлектронных 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 базой (анодом к базе) и коллектором этого транзистора (как правило, типа
n-р-n). Ток упомянутого фотодиода является базовым током транзистора и управляет током его коллектора.
Табл. 3.5
Характеристики фотоэлементов
| Фотоэлемент | Площадь фоточувствительной площадки, см2 | Фототек, мкА | Освещенность при измерении фототока, лк |
| Ф-32С | 4,6 | ||
| Ф-36С | 2.85 | ||
| Ф-42С | 6,4 | ||
| Ф-54С | 27,0 | ||
| -»- | -»- |
Чувствительность фототранзистора значительно выше, чем у фотодиода, за счет внутреннего усиления (коэффициент усиления Ку обычно равен
50 ¸ 200). Еще большее усиление может быть получено в составном фототранзисторе (kу = 1000 ¸ 10000). В то же время фототранзисторам присуща заметная инерционность, что ограничивает область их применения в основном устройствами автоматики и управления силовыми цепями.
Табл. 3.6
Сравнение параметров фотоприемников различных типов
| Фотоприемник | Коэффициент передачи, % | Полоса частот, МГц |
| Фотодиод | 0,1 | 0 – 10 |
| Фототранзистор | 0 – 0,3 | |
| Составной фототранзистор | 0 – 0,03 | |
| Сравнение параметров фотоприемников различных типов (приведенные в таблице фотоприемники используются в оптронах) |
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 табл. 3.7.
Фототранзисторы применяют в качестве аналоговых и ключевых приемников излучения, а также в оптопарах.
Табл. 3.7
Характеристики фототранзисторов
| Фототранзистор | Размеры элемента, мм5 | Темновой ток, мкА, не более | Рабочее напряжение, В | Максимальная спектральная чувствительность, мкм | Интегральная чувствительность, мкА/лк | Импульсная постоянная времени, с |
| ФТ-1К | 2,8 | 0,8 – 0,9 | 0,4 | 0,00008 | ||
| ФТ-2Г | 1.0 | 12 – 24 | 1,5 – 1,6 | 2,0 | 0,00001 | |
| ФТ-3 | 3,0 | 5 – 10 | 1,5 – 1,55 | 1,0 | 0,0001 | |
| ФТГ-5 | 3,0 | 5 – 10 | 1,5 – 1,55 | 1,0 | 0,00002 | |
| КТФ109А | 2,0 | Сведений нет | 0,83 | 0,25 А/Вт | Сведений нет |
Фототиристоры.Фототиристор – это тиристор, который включается под 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 Iср 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.
Фотоэлектронные умножители.Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – это усилитель слабых фототоков, действие которого основано на вторичной электронной эмиссии. Честь создания ФЭУ принадлежит нашему соотечественнику, физику Леониду Александровичу Кубецкому (1906 – 1959), который в 1930 – 1934 гг. разработал фотоумножитель для регистрации слабых электромагнитных излучений оптического диапазона.
Конструктивно ФЭУ (рис. 3.10, а) представляет собой стеклянный баллон с торцевым или боковым рабочим окном и расположенными внутри баллона электродами: катодом К, чередой динодов (вторичных катодов, эмиттеров) Э и анодом А. За катодом, как правило, располагается фокусирующий электрод.
Световые характеристики фотоумножителей при малых анодных токах (несколько микроампер) весьма близки к линейным. При больших токах приходится учитывать нелинейность, хотя максимальная величина выходного тока может достигать 1 мА. Явление вторичной электронной эмиссии практически безынерционно, поэтому фотоумножители, как и вакуумные фотоэлементы, могут использоваться для регистрации весьма быстропротекающих процессов.
Измеряемый поток света через рабочее окно попадает на катод, выбивая из него электроны (внешний фотоэффект). Согласно основному закону фотоэффекта фототок, возникающий в фотоэлементе под действием света, прямо пропорционален падающему на него световому потоку. Особенность ФЭУ как фотоприемника заключается в том, что благодаря системе динодов коэффициент пропорциональности удается поднять в миллионы раз (до восьми порядков). Для этого на ФЭУ (рис. 3.10, б) подается напряжение от высоковольтного источника (в зависимости от количества динодов – от 500 до 1500 В), причем делитель напряжения распределяет потенциалы между электродами равномерно, ориентировочно по 100 В на каскад. Вылетающие из катода электроны под действием разности потенциалов между катодом и ближайшим к нему динодом притягиваются к последнему. Этому процессу способствует и фокусирующий электрод, концентрирующий поток электронов именно в этом направлении.
а б
Рис. 3.10
Диноды изготовлены из материалов, обладающих высоким коэффициентом вторичной эмиссии, так что поток электронов от динода к диноду возрастает многократно и по сопротивлению нагрузки в анодной цепи ФЭУ протекает усиленный ток, значение которого пропорционально потоку света, упавшему на катод.
Особенности конструкции (большие расстояния между электродами) предопределяют чрезвычайно высокое внутреннее сопротивление ФЭУ в темновом режиме и, следовательно, исчезающе малые темновые токи (шумы) – на уровне наноампер. Поэтому ФЭУ способен реагировать на самые слабые световые сигналы, вплоть до единичных фотонов. Это обстоятельство и дает при высокой интегральной анодной чувствительности (1 А/лм и выше) широкий динамический диапазон (определяемый отношением максимального и минимального сигналов) – более 10000.
Спектральный диапазон ФЭУ также безупречен, так как превышает весь видимый (0,38 ¸ 0,78 мкм) спектр световых волн и захватывает как инфракрасную, так и ультрафиолетовую зоны (например, сурьмяно-цезиевые фотокатоды типа SbKNaСs имеют область спектральной чувствительности и диапазоне длин волн 0,3 ¸ 0,8 мкм).
Как известно, недостатки являются следствием достоинств. ФЭУ не является исключением из этого правила. Высокая чувствительность предъявляет очень жесткие требования к стабильности условий измерения, в том числе и к стабильности питающего напряжения. Выполнить эти требования сложно, учитывая, что питание ФЭУ высоковольтное. К тому же высоковольтность фотоприемника требует дополнительных мер по согласованию сигнала ФЭУ с низковольтными полупроводниковыми элементами последующих преобразователей.
Использование фотоумножителей в ОЭП ограничено в большинстве случаев из-за значительных габаритов, сложности источников питания и высокой стоимости. Кроме того, наличие постоянной составляющей потока излучения, на фоне которой осуществляется преобразование незначительных изменений потока, может привести к их насыщению или истощению фоточувствительного слоя.
Общее представление о характеристиках ФЭУ можно получить, ознакомившись с данными табл. 3.8.
Табл. 3.8
Характеристики фотоэлектронных умножителей
| фотоумножитель | Размеры фотока-тода. мм | Темновой ток, мкА, не более | Рабочее напряжение, В | Область спектральной чувствительности, мкм | Интегральная чувствительность, А/лм | Тип оптического входа |
| ФЭУ-22 | 16´5 | 0,02 | 0,40 – 1,10 | 4,5 | Боковой | |
| ФЭУ-26 | 5´2 | 0,05 | 0,32 – 0,60 | 1,0 | Боковой | |
| 0,25 | 0,005 | 0,32 – 0,75 | 1.0 | Торцевой | ||
| ФЭУ-68 | 0,12 | 0,01 | 0,30 – 0,82 | 1,0 | Торцевой |