Какой элемент относится к фотоэлектрическому приемнику излучения

18. Фотоэлектрические приемники излучения. Классификация. Основные параметры. Область применения

Фотоприёмники-это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрическую. Для получения максимального преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо иметь согласованные спектральные характеристики фотоизлучателей и фотоприёмников.

Работа фотоприёмников основана на одном из видов электрических явлений:

• внутренний фотоэффект;
• изменение электропроводности при его освещении;
• внешний фотоэффект-испускание веществом электронов под действием света;
• фотоэффект в запирающем слое-возникновение ЭДС на границе двух материалов под воздействием света.
• Все фотоприёмники можно подразделить на две группы:
• с внешним фотоэффектом и
• с внутренним фотоэффектом.

Приборы в внешним фотоэффектом. К приборам с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газоразрядные фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ) При отсутствии излучения анодный ток равен нулю. При освеще­нии фотокатода возникает фотоэмиссия и в цепи анода протекает ток. Фотоэлементы используются в первичных преобразователях ин­формации. Приборы, использующие внешний фотоэффект имеют большие размеры, высокую стоимость, трудно сопрягаются с электронными схемами и поэтому в настоящее время применяются редко. Приборы с внутренним фотоэффектом. К приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. При внутреннем фотоэффекте происходит возбуждение электронов вещества, они переходят на более высокий энергетический уровень, что приводит к изменению концентрации свободных носителей заряда и электрических свойств вещества. Фоторезисторы имеют высо­кую инерционность и многие из них не способны работать на частотах более 100Гц. При отсутствии освещенности рабочей площадки фоторезистор имеет максимальное сопротивление, называемое темновым, которое составляет 10 4 ..10 7 Ом. По цепи протекает малый темповый ток Iт, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда Фоторезистор характеризуется следующими параметрами:

• темповое сопротивление — это сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения;
• удельная интегральная чувствительность;
• граничная частотаf_гр — это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в √2 раз по сравнению с чувствительностью немодулированного светового потока. f_гр ≈ 10 3 …10 5 Гц;
• температурный коэффициент фототока;

рабочее напряжение. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимах:

• в режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим) и
• в режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Режим фотогенератора имеет место при U>0 и iФототранзисторы. Фототранзистором называется прибор с двумя p-n переходами, управляемый оптическим излучением. Фототранзисторы, как и обычные транзисторы, могут быть p-n-p и n-p-n типа. Конструктивно фоторезистор выполнен так, что световой поток облучает область базы. Наибольшее практическое применение включения фоторезистора в схеме с ОЭ, в которой нагрузка включается в коллекторную цепь. Входным сигналом фоторезистора является модулированный световой поток, а выходным — изменение на резисторе нагрузки в коллекторной цепи. Основные параметры фототранзистора следующие: рабочее напряжение, темповый ток, рабочий ток, максимально допустимая мощность рассеивания, статический коэффициент усиления по фототоку, интегральная чувствительность, граничная частота. Фототиристор — это четырёхслойная полупроводниковая структура управляемая световым потоком подобно тому, как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемый на управляющий электрод. Фототиристоры применяются в качестве бесконтактных ключей, управляемых световым сигналом.

2. Приемники излучения фотоэлектрических датчиков

К приемникам излучения на основе внешнего фотоэффекта относятся электровакуумные или газонаполненные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и передающие электронно-лучевые трубки. К приемникам излучения на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Все приемники излучения являются электронными и полупроводниковыми приборами и изучаются в курсе электроники. Здесь будут рассмотрены только краткие физические основы их работы и характеристики тех приемников излучения, которые нашли применение в системах автоматики.

Рис. 2. Схема включения фотоэлемента

На рис. 2 приведена схема включения вакуумного фотоэлемента. Анод А и катод К фотоэлемента находятся в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух. Когда световой поток падает на катод, покрытый активным слоем, электроны получают энергию, позволяющую им вылететь из катода. Это явление называется фотоэлектронной эмиссией. Под действием источника питания с ЭДС Е между катодом и анодом создается электрическое поле, которое и заставляет электроны перемещаться от катода к аноду.

В электрической цепи создается электрический ток, называемый фототоком. Когда действие света прекращается, ток в фотоэлементе и внешней электрической цепи исчезает.

Зависимость фототока от светового потока называется световой характеристикой. Эта характеристика при постоянных значениях Е и R практически линейная. Фотоэлемент характеризуется также чувствительностью, которая равна отношению фототока (в микроамперах) к световому потоку (в люменах). В газонаполненных фотоэлементах благодаря ионизации молекул газа, заполняющего баллон, фототок увеличивается. Поэтому чувствительность газонаполненных фотоэлементов больше, чем у вакуумных. Однако световая характеристика вакуумного фотоэлемента более стабильна, менее зависима от колебаний напряжения питания, чем у газонаполненных элементов. Поэтому для целей автоматического измерения чаще применяются вакуумные фотоэлементы.

Промышленностью серийно выпускаются электровакуумные фотоэлементы типа СЦВ (сурьмяно-цезиевый, вакуумный) и типа Ф разных модификаций. Например, фотоэлемент типа Ф-1 имеет наилучшую чувствительность при λ=0,215 мкм, Ф-3 — при λ = 0,750 мкм, Ф-5 — при λ = 1,1 мкм. Это означает, что фотоэлемент Ф-1 реагирует на ультрафиолетовое излучение, Ф-3 — на видимый свет, Ф-5 — на инфракрасный цвет. Фотоэлементы работоспособны и при других длинах волн, но выходной сигнал при этом будет меньше. На рис. 3, а показан фотоэлемент типа СЦВ-4, имеющий размеры диаметр 27 мм и длину 62 мм и интегральную чувствительность 80 мкА/лм. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в отличие от фотоэлементов имеют дополнительные электроды. Благодаря вторичной эмиссии электронов из этих электродов чувствительность ФЭУ во много раз превышает чувствительность фотоэлементов. Однако для ФЭУ требуется и значительно большее напряжение питания.

Рис. 3. Конструкции фотоэлементов (а, б, в, г) и спектральные характеристики (д)

Фоторезистор состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около микрометра, нанесенного на стеклянную или кварцевую пластинку. Токосъемные электроды выполнены с применением драгоценных металлов. При внутреннем фотоэффекте под действием светового потока в полупроводнике появляются дополнительные свободные электроны, благодаря чему увеличивается электропроводность, а сопротивление фоторезистора уменьшается.

Промышленностью выпускаются фоторезисторы типов СФ, ФР, ФС различных модификаций. В них используются полупроводниковые материалы: сернистый кадмий, сернистый свинец, германий, индий и др.

На рис. 3, б, в, г показан внешний вид некоторых фоторезисторов, а на рис. 3, д — спектральные характеристики фоторезисторов из некоторых полупроводниковых материалов. По вертикальной оси отложена чувствительность в относительных единицах, а по горизонтальной — длина волны монохроматического (т. е. определенного цвета) светового потока. Вид кривой (острый пик или пологая вершина) зависит и от технологии изготовления полупроводникового материала.

Надо отметить, что чувствительность схем с фоторезисторами во много раз больше, чем схем с фотоэлементами. Например, фоторезистор типа СФЗ-2А имеет в освещенном состоянии ток в 3 мА. При отсутствии света и напряжении на фоторезисторе в 10 В через него протекает ток в 2 мкА. Таким образом, кратность изменения сопротивления может достигать 3 10 -3 /(2 10 -6 ) = 1500.

Для автоматического измерения фоторезисторы используют чаще всего в мостовой схеме. Для исключения погрешности из-за потока излучения фона в два плеча моста включают одинаковые фоторезисторы, один из которых воспринимает только излучение фона, а другой освещается одновременно измеряемым объектом и фоном.

К недостаткам фоторезисторов следует отнести их инерционность. Она заключается в том, что при освещении фоторезистора фототок не сразу достигает своего конечного значения, а при прекращении освещения ток снижается до первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Постоянная времени фоторезисторов составляет десятые и сотые доли секунды. Еще один недостаток фоторезисторов — зависимость сопротивления от температуры.

Фотодиодами называются полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте и использующие одностороннюю проводимость p-n-перехода.

Различают два режима работы фотодиодов: фотогальванический и фотодиодный. В фотогальваническом режиме не требуется источник питания, поскольку при освещении р-п-перехода появляется ЭДС, под действием которой возникает ток во внешней цепи. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию. При освещенности в 8 10 3 лк фотоЭДС составляет около 0,1 В. В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение обратной полярности, т. е. такое, при котором обычный диод не проводил бы ток. При освещении фотодиода (его n-области) обратный ток резко увеличивается, фотодиод начинает проводить ток в обратном направлении.

Рис. 4. Конструкции и устройство фотодиодов

Промышленностью выпускаются фотодиоды типа ФД различных модификаций. В качестве материала чувствительного слоя используются германий, кремний, селен. На рис. 4, а, б показаны конструкции некоторых фотодиодов, на рис. 4, в — его устройство. На металлическую пластинку 1 наносится слой полупроводника 2, поверх которого осаждается полупрозрачная пленка золота 3. Между золотой пленкой и полупроводником создается запирающий слой. Поверх пленки 3 накладывается защитный слой прозрачного лака 4. С внешней цепью фотодиод соединяется с помощью выводов, одним из которых является контактное металлическое кольцо 5.

При замыкании фотодиода на сопротивление нагрузки по внешней цепи потечет ток, зависящий от светового потока. Такой режим работы фотодиода называется фотогальваническим. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электроэнергию. Чувствительность фотодиода к суммарному световому потоку при коротком замыкании селеновых фотоэлементов довольно велика и составляет 0,5 мА на 1 лм. При увеличении внешнего сопротивления в цепи фотодиода его чувствительность падает. Инерционность фотодиодов примерно на порядок меньше, чем у фоторезисторов.

Фотодиоды чаще используются не для целей автоматического измерения, а в схемах фотореле. Для этих же целей используются и фототранзисторы, совмещающие свойства фотодиода и усилительного транзистора.

2. Приемники излучения фотоэлектрических датчиков

К приемникам излучения на основе внешнего фотоэффекта относятся электровакуумные или газонаполненные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители и передающие электронно-лучевые трубки. К приемникам излучения на основе внутреннего фотоэффекта относятся фоторезисторы, фотодиоды и фототриоды. Все приемники излучения являются электронными и полупроводниковыми приборами и изучаются в курсе электроники. Здесь будут рассмотрены только краткие физические основы их работы и характеристики тех приемников излучения, которые нашли применение в системах автоматики.

Рис. 2. Схема включения фотоэлемента

На рис. 2 приведена схема включения вакуумного фотоэлемента. Анод А и катод К фотоэлемента находятся в стеклянном баллоне, из которого откачан воздух. Когда световой поток падает на катод, покрытый активным слоем, электроны получают энергию, позволяющую им вылететь из катода. Это явление называется фотоэлектронной эмиссией. Под действием источника питания с ЭДС Е между катодом и анодом создается электрическое поле, которое и заставляет электроны перемещаться от катода к аноду.

В электрической цепи создается электрический ток, называемый фототоком. Когда действие света прекращается, ток в фотоэлементе и внешней электрической цепи исчезает.

Зависимость фототока от светового потока называется световой характеристикой. Эта характеристика при постоянных значениях Е и R практически линейная. Фотоэлемент характеризуется также чувствительностью, которая равна отношению фототока (в микроамперах) к световому потоку (в люменах). В газонаполненных фотоэлементах благодаря ионизации молекул газа, заполняющего баллон, фототок увеличивается. Поэтому чувствительность газонаполненных фотоэлементов больше, чем у вакуумных. Однако световая характеристика вакуумного фотоэлемента более стабильна, менее зависима от колебаний напряжения питания, чем у газонаполненных элементов. Поэтому для целей автоматического измерения чаще применяются вакуумные фотоэлементы.

Промышленностью серийно выпускаются электровакуумные фотоэлементы типа СЦВ (сурьмяно-цезиевый, вакуумный) и типа Ф разных модификаций. Например, фотоэлемент типа Ф-1 имеет наилучшую чувствительность при λ=0,215 мкм, Ф-3 — при λ = 0,750 мкм, Ф-5 — при λ = 1,1 мкм. Это означает, что фотоэлемент Ф-1 реагирует на ультрафиолетовое излучение, Ф-3 — на видимый свет, Ф-5 — на инфракрасный цвет. Фотоэлементы работоспособны и при других длинах волн, но выходной сигнал при этом будет меньше. На рис. 3, а показан фотоэлемент типа СЦВ-4, имеющий размеры диаметр 27 мм и длину 62 мм и интегральную чувствительность 80 мкА/лм. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в отличие от фотоэлементов имеют дополнительные электроды. Благодаря вторичной эмиссии электронов из этих электродов чувствительность ФЭУ во много раз превышает чувствительность фотоэлементов. Однако для ФЭУ требуется и значительно большее напряжение питания.

Рис. 3. Конструкции фотоэлементов (а, б, в, г) и спектральные характеристики (д)

Фоторезистор состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около микрометра, нанесенного на стеклянную или кварцевую пластинку. Токосъемные электроды выполнены с применением драгоценных металлов. При внутреннем фотоэффекте под действием светового потока в полупроводнике появляются дополнительные свободные электроны, благодаря чему увеличивается электропроводность, а сопротивление фоторезистора уменьшается.

Промышленностью выпускаются фоторезисторы типов СФ, ФР, ФС различных модификаций. В них используются полупроводниковые материалы: сернистый кадмий, сернистый свинец, германий, индий и др.

На рис. 3, б, в, г показан внешний вид некоторых фоторезисторов, а на рис. 3, д — спектральные характеристики фоторезисторов из некоторых полупроводниковых материалов. По вертикальной оси отложена чувствительность в относительных единицах, а по горизонтальной — длина волны монохроматического (т. е. определенного цвета) светового потока. Вид кривой (острый пик или пологая вершина) зависит и от технологии изготовления полупроводникового материала.

Надо отметить, что чувствительность схем с фоторезисторами во много раз больше, чем схем с фотоэлементами. Например, фоторезистор типа СФЗ-2А имеет в освещенном состоянии ток в 3 мА. При отсутствии света и напряжении на фоторезисторе в 10 В через него протекает ток в 2 мкА. Таким образом, кратность изменения сопротивления может достигать 3 10 -3 /(2 10 -6 ) = 1500.

Для автоматического измерения фоторезисторы используют чаще всего в мостовой схеме. Для исключения погрешности из-за потока излучения фона в два плеча моста включают одинаковые фоторезисторы, один из которых воспринимает только излучение фона, а другой освещается одновременно измеряемым объектом и фоном.

К недостаткам фоторезисторов следует отнести их инерционность. Она заключается в том, что при освещении фоторезистора фототок не сразу достигает своего конечного значения, а при прекращении освещения ток снижается до первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Постоянная времени фоторезисторов составляет десятые и сотые доли секунды. Еще один недостаток фоторезисторов — зависимость сопротивления от температуры.

Фотодиодами называются полупроводниковые приборы, основанные на внутреннем фотоэффекте и использующие одностороннюю проводимость p-n-перехода.

Различают два режима работы фотодиодов: фотогальванический и фотодиодный. В фотогальваническом режиме не требуется источник питания, поскольку при освещении р-п-перехода появляется ЭДС, под действием которой возникает ток во внешней цепи. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электрическую энергию. При освещенности в 8 10 3 лк фотоЭДС составляет около 0,1 В. В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение обратной полярности, т. е. такое, при котором обычный диод не проводил бы ток. При освещении фотодиода (его n-области) обратный ток резко увеличивается, фотодиод начинает проводить ток в обратном направлении.

Рис. 4. Конструкции и устройство фотодиодов

Промышленностью выпускаются фотодиоды типа ФД различных модификаций. В качестве материала чувствительного слоя используются германий, кремний, селен. На рис. 4, а, б показаны конструкции некоторых фотодиодов, на рис. 4, в — его устройство. На металлическую пластинку 1 наносится слой полупроводника 2, поверх которого осаждается полупрозрачная пленка золота 3. Между золотой пленкой и полупроводником создается запирающий слой. Поверх пленки 3 накладывается защитный слой прозрачного лака 4. С внешней цепью фотодиод соединяется с помощью выводов, одним из которых является контактное металлическое кольцо 5.

При замыкании фотодиода на сопротивление нагрузки по внешней цепи потечет ток, зависящий от светового потока. Такой режим работы фотодиода называется фотогальваническим. В этом режиме фотодиод непосредственно преобразует энергию света в электроэнергию. Чувствительность фотодиода к суммарному световому потоку при коротком замыкании селеновых фотоэлементов довольно велика и составляет 0,5 мА на 1 лм. При увеличении внешнего сопротивления в цепи фотодиода его чувствительность падает. Инерционность фотодиодов примерно на порядок меньше, чем у фоторезисторов.

Фотодиоды чаще используются не для целей автоматического измерения, а в схемах фотореле. Для этих же целей используются и фототранзисторы, совмещающие свойства фотодиода и усилительного транзистора.

Фотоэлектрические приемники излучения

Приемники излучения – приемники работа, которых основана на внутреннем фотоэффекте, т.е. взаимодействии падающих квантов излучения с кристаллической решеткой полупроводника, в результате которого происходит ионизация атомов в кристаллической решетки с образованием свободных носителей заряда электронов и дырок. Существуют 2 формы внутреннего фотоэффекта: эффекта внутренней проводимости и фотогальванический.

Полупроводники, имеющие примеси называются примесными, а проводимость – примесной. Примесь отдающая электроны в зону проводимости называют донором, а проводник – n- типа.

Примесь, захватывающая электроны называется акцепторной, а полупроводник – p-типа.

Для полупроводников p и n типа, фотопроводимость возникает если электрон получает энергию hυ>=W _д или hυ>=W _а соответственно.

Фоторезистор

Фоторезистор – приемник излучения, работа которого основана на эффекте фотопроводимости.

Фоторезисторы неполярны, т.е. проводят ток в любом направлении и могут работать, как на постоянном так и переменном напряжении. Они создаются на базе собственного и примесного (для ИК области) поглощения. Наиболее распространены неохлажденные Фоторезисторы на собственной проводимости.

+ малые геометрические размеры и масса;

+ низкое напряжение питания;

+ высокая интегральная чувствительность;

+ большая мощность рассеивания.

— зависимость от температуры (при повышении температуры время спада уменьшается);

— малая величина линейной зоны энергетической характеристики.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: