Оптоэлектронные датчики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптоэлектронные датчики

1. Понятие фотометрии. Основные световые величины

световой спектральный фототранзистор

Самым первым определением фотометрии послужило определение, пришедшее из Древней Греции: слово «фотометрия» составлено из двух греческих слов: «фос» ()--свет и «метрео» () -- измеряю. Таким образом, в переводе на русский язык его следует понимать как «световые измерения».

В настоящее время ее можно определить как совокупность методов и теорий, охватывающих энергетику процессов излучения, распространения и превращения (в частности, поглощения) лучистой энергии в любой части электромагнитного спектра. Однако чаще всего фотометрические соотношения применяются к ультрафиолетовому, видимому и инфракрасному излучениям, объединяемым в общем понятии оптического излучения.

К основным фотометрическим величинам и единицам относятся:

1. Световой поток - физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения, где под световой мощностью понимается световая энергия, переносимая излучением через некоторую поверхность за единицу времени

- поток излучения в узком спектральном интервале от до , а - постоянная, равная 683 .

1 лм - световой потом, который источник силой света 1 кд излучает в телесном угле 1 ср.

2. Сила света (источника в некотором направлении) - величина, характеризующая световое действие источника в заданном направлении и равная отношению светового потока dФ, посылаемого источником в телесном угле , содержащем направление к этому телесному углу.

Формально 1 кд - сила света источника монохроматического излучения с длиной волны 555 нм (максимум чувствительности человеческого глаза), энергетическая сила света которого равна 1/683 .

Практически 1 кд - сила света в направлении нормали к отверстию абсолютно черного теле, имеющего температуру затвердевания пластины и площадь 1/60 см².

3. Поверхностная плотность светового потока (в точке А поверхности):

· Освещенность - плотность светового потока, падающего на поверхность около точки А.

1 лк - освещенность участка поверхности в том случае, когда падающий на него световой поток в люменах численно равен его площади в квадратных метрах.

· Светимость - плотность светового потока, излучаемого поверхностью около точки А.

- светимость участка поверхности в том случае, когда испускаемый им световой потом в люменах численно равен его площади в квадратных метрах.

и - элементарные световые потоки (падающий и излучаемый), приходящиеся на элемент площади , содержащий точку А.

4. Яркость (в точке А в направлении l) - величина, характеризующая световую мощность элементарного пучка (луча) в трех случаях: свечение поверхности, освещение поверхности, прохождение пучка через среду. Единица измерения - кандела на квадратный метр ().

· Свечение поверхности - яркость L поверхности в точке А и в направлении l равна отношению силы света dl элемента светящейся поверхности, который содержит точку А, в направлении l, к площади проекции элемента на плоскость, перпендикулярную к направлению l:

Угол образован направлением l и нормалью к элементу .

- яркость участка светящейся поверхности в том случае, когда его сила света в канделах численно равна площади его проекции в квадратных метрах на плоскость, перпендикулярную к направлению света.

· Освещение поверхности - яркость L о-свещающего пучка равна отношению освещенности , которую пучок создает на перпендикулярном к нему элементе поверхности, содержащем точку А, к телесному углу , заполненному освещающим пучком и содержащему направление l:

- яркость узкого пучка, освещающего по нормали поверхность, если создаваемая им освещенность в люксах численно равна телесному углу в стерадианах, заполненному освещающим пучком.

· Прохождение пучка через среду - яркость L пучка равно отношению светового потока , переносимого пучком, к произведению площади его нормального сечения , содержащем точку А, и заполненного им телесного угла , содержащего направление l:

- яркость узкого пучка, проходящего через вещество (или вакуум), в том случае, когда световой поток этого пучка в люменах численно равен произведению площади его нормального сечения (в квадратных метрах) и телесного угла в стерадианах, который он заполняет.

2. Энергетические величины

Ранее были даны определения основных световых величин, которые характеризуют разные случаи пространственного распределения светового потока: по телесному углу -- сила света, по поверхности -- освещенность или светимость и, наконец, одновременно как по телесному углу, так и по поверхности -- яркость.

Представление о световом потоке и обо всех связанных с ним величинах формировалось в процессе развития визуальной фотометрии. Существенными факторами, определяющими установление этих представлений, было, во-первых, то, что невидимые излучения еще не были известны, и, во-вторых, то, что глаз человека был единственным средством обнаружения и оценки излучения любого источника.

Однако за последние 100--150 лет положение существенно изменилось. К видимым лучам, свойства которых были изучены еще И. Ньютоном, добавились открытые в начале XIX в. инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Была установлена их общая электромагнитная природа и общая скорость распространения в вакууме. Появились разнообразные приемники излучения, предназначенные для работы в той или другой части спектра. Наконец, чрезвычайно расширилось самое различное использование того или иного излучения.

Одновременно во все большей степени стала ощущаться необходимость оценки общей мощности, переносимой электромагнитным излучением независимо от его спектрального состава, которая получила название поток излучения (или лучистый поток).

Поток излучения принято обозначать буквой Р и как всякую мощность измерять в ваттах (Вт).

Как естественное следствие того, что поток излучения становится основой радиационной энергетики, возникает потребность во всех видах производных величин, применяемых для характеристики его пространственного распределения, т. е. появляется необходимость в системе энергетических величин, построенных аналогично системе световых (визуальных) величин. Отличие этих новых величин от прежних состоит только в том, что вместо светового потока в их определения входит поток излучения. Не представляет труда произвести такую подстановку и получить всю систему энергетических величин, пригодную для описания различных случаев распределения потока излучения:

1. Сила излучения (энергетическая сила света) - плотность потока излучения по телесному углу.

dP -- бесконечно малый поток излучения, распространяющийся от источника внутри бесконечно малого телесного угла .

2. Поверхностная плотность потока излучений имеет следующие названия:

· энергетическая светимость

· энергетическая освещенность

где и - бесконечно малые потоки, излучаемые элементом площади или падающие на него.

3. Энергетическая яркость как поверхностная плотность энергетической силы света, отнесенной к площади проекции поверхности на плоскость, перпендикулярную к направлению энергетической силы света.

Энергетическая яркость (как и визуальная) характеризует элементарный пучок в трех случаях: при его возникновении на излучающей поверхности на пути его распространения через какую-либо среду, а также при падении пучка на облучаемую поверхность.

3. Связь между световым потоком и спектральным составом связанного с ним потока излучения

Спектральный состав потока излучения можно считать известным, если дана мощность излучения в любом заданном участке спектра. Состав излучения может быть задан в форме таблицы или графика.



Рисунок 1 - Спектральный состав потока излучения

Одним из самых простых и естественных способов его графического представления показан на рис. 1, где вдоль оси абсцисс отложена какая-нибудь спектральная координата, например длина волны л, а по оси ординат -- мощность излучения Р(л), имеющего длины волн более короткие, чем л.

Интегральная кривая 1 всегда возрастает вместе с увеличением длины волны, так как с переходом от Р(л₁) к Р (л₂) (л₂ > л₁) к мощности Р(л₁) добавляется мощность излучения, длины волн которого лежат в интервале л₁-- л₂. Если в интервале л₁-- л₂ ничего не излучается, тогда на этом участке кривая P(л) параллельна оси абсцисс. Если рассмотреть бесконечно узкий интервал (л₂ = л₁ + dл), то увеличение dP мощности, связанное с переходом от длины волны л₁ к длине волны л₂, будет также бесконечно мало. Производную , которую принято называть спектральной плотностью потока излучения по длине волны, можно нанести на тот же график в форме кривой 2. Во многих случаях эта кривая имеет колоколообразную форму. Максимум кривой, приходящийся на длину волны л₂ будет находиться в той точке спектральной шкалы, где крутизна кривой Р(л) достигнет своего наибольшего значения.

Если по оси абсцисс графика, изображающего спектральный состав того же излучения, отложить не длину волны л, а частоту v (или какую-нибудь иную спектральную координату), то интегральная кривая P(v), ординаты которой равны общей мощности излучения, имеющего частоты, меньшие v, будет также иметь форму монотонно возрастающей функции. Если на тот же график нанести вторую кривую, ординаты которой равны производной dP/dv = P_v, то эта кривая, представляющая собой спектральную плотность потока излучения по частоте v, также может иметь колоколообразную форму. Естественно, что максимальное значение производной функции придется на то место v_m шкалы частот, которому будет соответствовать наибольшая крутизна кривой P(v). Однако не следует ожидать, чтобы л_m и v_m относились к одному и тому же месту спектра, т. е. чтобы л_mv_m = c, где с -- скорость света в вакууме

Положение максимума кривой спектральной плотности потока излучения (или другой фотометрической величины) по той или иной спектральной координате характеризует только способ изображения спектрального состава, а не самый состав.

4. Световая эффективность

Из участка графика (рис. 1), лежащего между кривой 2 и осью абсцисс, выделим заштрихованную область, соответствующую малому приращению dл длины волны. Площадь этой полосы представляет собой малую мощность, переносимую излучением с длинами волн, лежащими в узком спектральном интервале л, л +dл. Сложив все эти малые мощности, получим в сумме общую мощность (в ваттах)

Если dP потока излучения приходится на видимую часть спектра, то при этом возможно световое воздействие излучения на глаз и возникновение некоторого светового потока dФ, пропорционального dP и относительной спектральной чувствительности глаза V(л) к излучению с длиной волны л. Поэтому можно написать, что



где -- коэффициент пропорциональности, который называют максимальной световой эффективностью излучения. Если мощность измеряется в ваттах, а световой поток в люменах, то коэффициент равен числу люменов светового потока, связанных с потоком излучения в один ватт при той длине волны, для которой V() = 1, т. е. для = 0,555 мкм [ = 683 лм/Вт].

Световой эффективностью излучения называют отношение светового потока к мощности связанного с ним излучения. Она зависит, конечно, от спектрального состава излучения и равна нулю в тех случаях, когда излучение не содержит потока в видимой части спектра. Световая эффективность солнечного излучения близка к 100 лм/Вт, а для монохроматических потоков световая эффективность

К() = V()К_m,

где V()--относительная спектральная чувствительность глаза.

Если речь идет об излучении сложного спектрального состава, то световой поток источника может быть определен как сумма элементарных световых потоков всех его монохроматических составляющих:

Штриховые ординаты, проведенные на рис.1 через точки ₁ = 0,4 мкм и ₂ = 0,75 мкм, ограничивают видимую часть спектра, а кривая 3 и ось абсцисс -- площадь, пропорциональную световому потоку Ф.

Умножение монохроматического потока dP на безразмерную величину V() относительной спектральной чувствительности глаза можно считать своеобразной «оценкой» потока излучения, эквивалентной той, которая имеет место при действии излучений разных длин волн на зрительный аппарат человека. В этом смысле и надо понимать следующее определение: световой поток является величиной, пропорциональной потоку излучения, оцененному в соответствии с относительной спектральной чувствительностью среднего глаза.

Иногда световой поток выражают в световых ваттах, число которых считают равным интегралу если поток излучения выражен в ваттах. Легко видеть, что один световой ватт эквивалентен 683 лм независимо от спектрального состава излучения.

Отношение числа световых ватт к числу ватт излучения

представляет собой безразмерную величину -- световой коэффициент полезного действия (КПД) излучения, который может достигать единицы, если речь идет о монохроматическом излучении с длиной волны 0,555 мкм. Во всех других случаях световой КПД излучения меньше единицы и падает до нуля, если излучение не захватывает видимой области спектра.

Произведение 683 лм/Вт называют световой эффективностью излучения, которая, естественно, зависит от его спектрального состава и вместе со световым КПД излучения может принимать значения от 683 лм/Вт до нуля. Следует различать световую эффективность излучения и световую эффективность источника, которая равна отношению светового потока к мощности, потребляемой им от источника энергии, например от сети. Световая эффективность источников света колеблется от 2--3 лм/Вт для низкотемпературных ламп накаливания до 20--40 лм/Вт для высокотемпературных и газосветных ламп.

Понятно, что равенства, подобные (1-15), можно составить не только для светового потока, но и для любой другой фотометрической величины. Для яркости, выраженной в канделах на квадратный метр, следует, например, писать

где V() имеет прежнее значение, a -- энергетическая яркость, приходящаяся на спектральный интервал ,

Выражения (1-15) и (1-17) устанавливают некоторую пропорцию между фотометрическими и энергетическими характеристиками излучения. Эта пропорция (например, число люменов светового потока на ватт излучения) остается неизменной до тех пор, пока сохраняется спектральный состав излучения и спектральная чувствительность глаза. Зависимость этой пропорции от состава излучения очевидна. Достаточно указать на изменение числа люменов на ватт в излучении любой лампы накаливания, происходящее при изменении температуры вольфрамовой нити.

5. Световая энергия. Экспозиция

Классическая фотометрия, основы которой были заложены Бугром и Ламбертом в XVIII в., рассматривала только стационарные процессы излучения и интересовалась его воздействием за большие промежутки времени, которые сами по себе значения не имели.

Однако уже давно стали выявляться случаи, в которых длительность свечения играла существенную роль. Обратимся для примера к проблесковому огню -- одному из видов навигационного ограждения пути корабля в море, осуществляемому с помощью плавающих буев или бакенов. В темное время суток эти огни, вспыхивающие периодически на десятые доли секунды, позволяют мореплавателю определять свое местонахождение. Темновые паузы имеют значительно большую длительность.

Действие такого проблескового огня зависит не только от его наибольшей силы света (или от максимальной освещенности, производимой им на зрачке наблюдателя), но и от длительности проблеска, а также от того, как меняется сила света (или освещенность на зрачке) за время свечения огня. Поэтому фотометрическая характеристика проблескового огня не может быть исчерпана только его наибольшей силой света за вспышку. Инерционные свойства глаза заставляют принимать во внимание время, в течение которого свет действует на глаз, и вводить новый способ фотометрической оценки, умножая силу света источника (или освещенность зрачка наблюдателя) на длительность свечения.

В качестве другого примера можно указать на импульсные источники света, которые с некоторых пор начали приобретать- все более широкое распространение. Длительность свечения импульсных источников измеряется иногда тысячными или миллионными долями секунды, что очень существенно, например, для фотографии. Мгновенные значения сил света (световых потоков, освещенностей), характеризующих мощность этих источников, очень велики, но не они определяют эффект, производимый светом на инерционные приемники типа светочувствительного фотографического слоя или человеческого глаза. Время действия света имеет самое существенное значение, и для описания импульсных источников во многих случаях приходится обращаться к величинам, пропорциональным произведению силы света (светового потока, освещенности) на время излучения.

Когда характеризуют излучение импульсного источника, то надо строго различать, о чем идет речь: о переменной мощности, которая, возрастая от -нуля, достигает за малые доли секунды своего максимального значения, а затем падает до нуля, или об энергии импульса, которая представляет собой интеграл от мощности по времени излучения.

При фотохимических процессах (фотография, фотосинтез) результат зависит также не от освещенности светочувствительного слоя, а от произведения освещенности на время, в течение которого она имела возможность действовать на него.

В связи с тем, что число таких случаев непрерывно растет и что они приобретают все большее значение, оказалось необходимым пополнить фотометрическую систему рядом новых величин, из которых в первую очередь надо указать следующие.

1. Световая энергия Q, которая пропорциональна произведению светового потока Ф на время t излучения:

2. Экспозиция (или количество освещения) H пропорциональна произведению освещенности Е на время t освещения

Полезно отметить, что, умножив правую и левую части выражения (1-6) на время t действия источника, получим

Из последнего выражения видно, что экспозиция (количество освещения) H представляет собой поверхностную плотность световой энергии.

Ниже приведена таблица основных световых величин и их энергетических аналогах.

Таблица 1. Основные фотометрические величины.

Наименование	Обозначение	Определение	Единицы измерения	Энергетический аналог
Световая энергия				Энергия излучения
Световой поток				Поток излучения
Сила света				Сила излучения
Светимость				Энергетическая светимость
Яркость				Энергетическая яркость
Яркость				Энергетическая яркость
Яркость				Энергетическая яркость
Освещённость				Облученность
Световая экспозиция				Энергетическая экспозиция
Спектральная плотность световой энергии				Спектральная плотность энергии излучения

6. Фотоэлектрические приемники

Физические явления, используемые в фотоэлектрических приемниках:

1) Внешний фотоэффект;

2) Фотоэффект, соединенный со вторичной электронной эмиссией;

3) Фотоэффект с запирающим слоем;

4) Внутренний фотоэффект.

Основные параметры фоточувствительных элементов:

Электрические параметры

· Рабочее напряжение U_р - постоянное напряжение, приложенное к фотоприемнику, при котором обеспечиваются его номинальные параметры при длительной работе.

· Темновой ток I_t - ток, протекающий через фотоприемник при указанном напряжении на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности. Темновой ток возникает по двум основным причинам. «Внутренняя» причина его возникновения связана с освобождением носителей заряда за счет теплового возбуждения; при фиксированной температуре этот процесс тем интенсивнее, чем больше пороговая длина волны материала, т. е. чем меньше его потенциал ионизации (случай материалов, чувствительных в инфракрасной области спектра). «Внешней» причиной его является тепловое излучение (в основном инфракрасное), испускаемое окружающей средой и воспринимаемое датчиком; ток возникает в результате фотоэффекта при чувствительности датчика к этому излучению.

· Фототок I_f - ток, проходящий через фотоприемник при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

· Темновое сопротивление R_t - сопротивление фотоприемника в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.

Параметры чувствительности

· Чувствительность S - отношение изменения электрической величины на выходе фотоприемника, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной.

· Интегральная чувствительность S_int - чувствительность фотоприемника к излучению данного спектрального состава

· Спектральная чувствительность S_л - чувствительность фотоприемника к монохроматическому излучению

· Динамический диапазон - диапазон допустимых амплитуд входных сигналов, ограниченный снизу (уровнем шумов) и сверху (требование линейности фотоприемника).

· Пороговая чувствительность - минимально обнаружимый уровень входного сигнала

Спектральная чувствительность

Монохроматическая спектральная чувствительность S_л - это реакция фотоприемника на монохроматический поток излучения и обычно определяется выражением:

- изменение монохроматического потока. У большинства приемников излучения спектральная чувствительность изменяется с длинной волны и для какого-то определенного значения достигает максимального значения . Это значение иногда приводят в паспорте на приемник излучения. Понятие спектральной чувствительности просто и наглядно, но определение его абсолютного значения связано с некоторыми трудностями. Поэтому вместо абсолютной обычно пользуются относительной спектральной чувствительностью , которая определяется отношением

Относительная спектральная чувствительность обычно приводится в графическом виде в относительных единицах.



Рисунок 2 - Относительная спектральная чувствительность

Динамические характеристики фотоприемников.

Время нарастания (спада ) - важнейшая динамическая характеристика фотоприемника. Оно определяется как время, необходимое выходному сигналу, чтобы возрасти от уровня 0,1 до 0,9 (снизиться от 0,9 до 0,1) от установившегося минимального значения при условии, что на вход подаются строго прямоугольные импульсы света большой длительности. Эти времена зависят от структуры фотоприемника, материала, напряженности электрического поля и температуры. Минимальная из двух величин (обычно ) берется в качестве характеристики времени отклика фотоприемника.

Предельная частота f₀ - частота синусоидального модулированного потока излучения, при которой чувствительность ФП падает до значения 0,707 от чувствительности при немодулированном напряжении.

Передаточная функция (Функция преобразования)



Передаточная функция (Функция преобразования) -- устанавливает взаимосвязь между выходным электрическим сигналом датчика S и внешним воздействием m:

Функция может быть линейной и нелинейной (логарифмической, экспоненциальной или степенной). Во многих случаях передаточная функция является одномерной и описывается выражением:

а -- постоянная составляющая (значение выходного сигнала при нулевом входном воздействии), b -- наклон прямой, который часто называют чувствительностью датчика. Параметр S -- эта та характеристика электрического сигнала, которую системы сбора данных воспринимают в качестве выходного сигнала датчика. Это может быть амплитуда, частота или фаза.

· Логарифмическая передаточная функция имеет вид:

· Экспоненциальная

· Степенная --

Датчик может иметь функцию преобразования, которую невозможно описать вышеприведенными аппроксимационными выражениями. В таких случаях применяются полиноминальные аппроксимации более высоких порядков.

Нелинейные датчики могут считаться линейными внутри ограниченного диапазона значений. Нелинейная передаточная функция представляется в виде отрезков нескольких прямых линий. Это называется кусочно-линейной аппроксимацией.

В дальнейшем для определения передаточной функции будут использоваться следующие величины:

· Квантовый выход () - среднее число электронов или дырок, освобожденных на каждый поглощенный фотон.

· Коэффициент отражения по мощности R.

Для непрозрачного материала с коэффициентом отражения по мощности R, подвергающегося воздействию потока монохроматического излучения Ф (Вт), число падающих в секунду фотонов равно



число поглощенных в секунду фотонов составляет

а число G освобожденных в секунду электронов или дырок определяется выражением

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект - это перераспределение электронов по энергетическим уровням в диэлектриках и полупроводниках под действием света. Если энергия кванта hv падающего света превышает ширину запрещенной зоны в диэлектрике или полупроводнике, то электрон, поглотивший квант, переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого перехода образуется пара носителей: в зоне проводимости электрон, в валентной зоне - дырка. Таким образом, в зоне проводимости появляются носители заряда, и при включении полупроводника в цепь по ней будет протекать ток или при приложении внешнего электрического поля будет протекать ток, изменяющийся в зависимости от освещенности.

Внутренний фотоэффект приводит:

· К изменению концентрации носителей в зоне проводимости (т.е. к изменению проводимости);

· Возникновению фото ЭДС (при наличии p-n перехода).

Приемники излучения, основанные на внутреннем фотоэффекте:

· Фотосопротивление

· Фотодиоды

· Фототранзисторы

7. Фотосопротивление

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, принцип действия которых основан на изменение сопротивления полупроводника под действием светового излучения.

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает, и через него течет световой ток. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости.

Пусть полупроводниковая пластинка имеет объем V (рис.4); полупроводник легирован донорными атомами примеси с концентрацией N_d, а нижний энергетический уровень зоны проводимости равен W_d.

Рисунок 4 - Фоторезистор

В темноте концентрация электронов, освобождаемых ежесекундно за счет теплового возбуждения донорных атомов, пропорциональна концентрации неионизованных атомов:

где характеризует интенсивность теплового возбуждения.

Фотосопротивление состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около 1 микрона, нанесённого на стеклянную пластину. На поверхность полупроводника нанесены токоведущие электроды. Световой поток Ф, падающий на светочувствительную поверхность S фотосопротивления, можно рассчитать на основании соотношения между основными фотометрическими величинами:

E - освещенность фоторезистора, I - сила света источника, r - расстояние от источника света до фотосопротивления. S - площадь поверхности фотосопротивления.

Размеры светочувствительной площади фотосопротивлений весьма малы, благодаря чему габаритные размеры промышленных типов фотосопротивлений незначительны. Обычно чувствительный к свету элемент монтируется в пластмассовый корпус с электродами.



Рисунок 5 - Конструкция и схема включения фотосопротивления

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЯ

· Световая характеристика (функция преобразования).

Световая характеристика. Зависимость фототока от интенсивности освещения у фотосопротивлений имеет нелинейный характер. Максимальная крутизна, а, следовательно, и чувствительность лежит в области малой освещенности, по мере же увеличения интенсивности освещения чувствительность падает.

· Вольтамперная характеристика



Мерой чувствительности фотосопротивлений является разность токов в темноте и на свету, отнесённая к величине светового потока. Фототок у фотосопротивлений не имеет насыщения, благодаря чему у них чувствительность пропорциональна приложенному напряжению. В связи с этим для характеристики качества фотосопротивлений введена удельная чувствительность, представляющая собой чувствительность в микроамперах на люмен, отнесенная к одному вольту приложенного напряжения.

Характеристики фотосопротивлений



Все фотосопротивления отличаются относительно высокой инерционностью, которая проявляется в том, что при освещении фототок в фотосопротивлениях не сразу достигает своего конечного значения. При прекращении освещения ток достигает своего первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Характерным является то, что процесс нарастания фототока протекает быстрее, чем процесс спадания. За меру инерционности приняли время, в течение которого фототок уменьшается в е раз. Это время получило название «постоянной времени», которая у различных фотосопротивлений различна и может зависеть, кроме того, от интенсивности света.

Чувствительность.

Проводимость фоторезистора можно записать в виде

-- темновая проводимость, a -- проводимость, вызванная фотоэлектрическим эффектом. Когда к фоторезистору приложено постоянное напряжение U, через него протекает ток I:



- темновой ток, фототок.

Обычно при использовании фоторезистора выполняется условие и в этом случае

Кроме частного случая, когда , ток I является нелинейной функций воспринимаемого потока.

Для потока излучения известного спектрального состава статический коэффициент преобразования

Чувствительность определяется выражением

Из этих формул следует, что

1) статический коэффициент преобразования и чувствительность-- величины одного порядка;

2) фоторезистор является нелинейным датчиком, и его чувствительность уменьшается с ростом потока, кроме частного случая, когда . Однако при работе на малом участке характеристики, когда информация заключается в небольших вариациях потока около существенно большего постоянного его значения, поведение фоторезистора может быть квазилинейным;

3) чувствительность, в общем, пропорциональна приложенному к фоторезистору напряжению, однако это справедливо лишь для достаточно малых напряжений, когда нагрев за счет выделения джоулева тепла не приводит к существенному повышению температуры, снижающему чувствительность;

Мостовые и дифференциальные схемы включения фоторезисторов

Мостовая схема позволяет измерять малое изменение светового потока при большой фоновой засветке. Это достигается за счет балансировки плеч моста. В качестве сопротивления нагрузки может выступать входное сопротивление операционного усилителя.

В данной схеме переменное сопротивление (R1) компенсирует начальную фоновую засветку, тем самым повышается динамический диапазон измерения светового потока, несущего полезную информацию.

Для того, чтобы компенсировать переменную фоновую засветку применяют включение однотипных фоторезисторов в противоположные плечи моста. Входное напряжение, поступающее на вход предварительного усилителя будет пропорционально изменению полезного светового потока, т.к. изменяющаяся фоновая засветка поступает на оба фоторезистора.

Мостовая схема



Дифференциальная схема

Дифференциальная схема применяется для получения дифференциального выхода на вход ОУ, с целью понижения синфазных сигналов. При дифференцируемой схеме включения фоторезистора используют два источника питания, с компенсацией фоновой засветки на общей нагрузке.

Мостовые схемы

Мостовые схемы применяются для измерения отношений при работе со струнными датчиками, пьезорезистивными преобразователями давления, термисторными термометрами и другими датчиками, где необходимо компенсировать влияние факторов окружающей среды. Мостовые схемы резистивных датчиков реализуются на ОУ.

Импедансы Z могут быть как активными, так и реактивными:

· для резисторов импеданс всегда равен R,

· для идеального конденсатора

,

· для индуктора

,

где f-- частота сигнала

Выходное напряжение моста:

Условия сбалансированного моста:

Для компенсации температурной нестабильности, дрейфа и т.д, идентичными должны быть только импендансы соседних пар (Z1 и Z2, Z3 и Z4)

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЙ

Преимуществами фотосопротивлений являются:

• большая чувствительность в инфракрасной части спектра

• большая интегральная чувствительность и малые размеры.

Недостатки фотосопротивлений:

• зависимость некоторых параметров от температуры

• нелинейность световой характеристики

• зависимость фототока от напряжения источника питания

• значительная инерционность большинства фотосопротивлений (временные постоянные имеют значения в интервале 0,02...0,08 с).

8. Фотодиоды

Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р-n-переход.

При воздействии излучения на p-n-переход, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в п-области и p-области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями.

Основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n-перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p-n-перехода, причем дырки переходят в p-область, а электроны п-область.

Фотоносители-дырки заряжают p-область положительно относительно n-области, а фотоносители - электроны - n-область отрицательно по отношению к p- области. Возникающая разность потенциалов называется фото ЭДС Е_ф. Генерируемый ток в фотодиоде - обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Режимы работы фотодиодов.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов - без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

а) фотодиод в режиме преобразователя

Принципиальная схема фотодиода характеризуется наличием источника ЭДС , напряжение которого приложено к фотодиоду в обратном направлении, и резистора , на клеммах которого получается выходной сигнал (рис.10).

Рисунок 10 - принципиальная схема

Когда к фотодиоду приложено напряжение смещения , обратный ток протекающий через фотодиод, равен

- фототок, возникающий в обедненном слое под действием потока, прошедшего расстояние Х в области р:

- расстояние, которое проходит поток

- имеет порядок 10⁵Размещено на http://www.allbest.ru/

см^-1



Рисунок 11 - семейство ВАХ при различных значениях падающего потока и нагрузочная прямая Д

б) фотодиод в фотогальваническом режиме

Фотодиод не имеет какого-либо внешнего источника питания, он работает как преобразователь энергии и эквивалентен генератору, характеризующемуся либо напряжением холостого хода, либо током короткого замыкания.

Напряжение холостого хода . Увеличение тока неосновных носителей под действием падающего потока вызывает перенос заряда, что понижает потенциальный барьер на . Это понижение приводит к увеличению тока неосновных носителей и поддерживает равенство основных и неосновных носителей таким образом, что , т.е.

Откуда следует, что



Рисунок 12 - нагрузочная характеристика фотодиода в фотогальваническом режиме: I - измерение на холостом ходу, II - измерение в режиме короткого замыкания;

Типы фотодиодов.

1. p-n фотодиоды. На внешнюю поверхность этих диодов наносится слой из Si02. Такие фотодиоды обладают низким уровнем темнового тока. Для увеличения быстродействия диодов увеличивают обедненную зону, что позволяет снизить емкость перехода.

2. PIN фотодиоды. Они являются улучшенной версией планарных диффузионных диодов с низкой емкостью. В них для увеличения быстродействия между р и п слоями формируется дополнительный i-слой, обладающий высоким удельным сопротивлением. При обратном смещении перехода такие устройства работают лучше. PIN имеют низкий ток утечки и высокое напряжение пробоя.

3. Фотодиоды Шоттки. В них на n-слой напыляется тонкий слой золота, позволяющий реализовать барьер Шоттки. Из-за маленького расстояния между внешней поверхностью и барьером чувствительность к УФ излучению таких диодов очень высокая.

4. Лавинные фотодиоды. Свое название эта группа диодов получила из-за следующего явления: если к p-n переходу приложено обратное напряжение, в обедненной зоне возникает сильное поле. Это поле заставляет фотоны двигаться с крупным ускорением, в результате чего их столкновение с атомами приводит к образованию вторичных носителей зарядов, которые также ускоряются и выбивают из атомов новые электроны и т.д. Благодаря такому лавинному процессу, ток через фотодиод значительно возрастает. Такие устройства работают как усилители, что делает их незаменимыми при детектировании очень низких уровней светового излучения.

5. Фотодиод с гетероструктурой. Гетеропереходом называют слои, возникающий на границе двух полупроводников с разной шириной запрещённой зоны. Один слой р+ играет роль «приёмного окна». Заряды генерируются в центральной области. За счет подбора полупроводников с различной шириной запрещённой зоны можно перекрыть весь диапазон длин волн. Недостаток -- сложность изготовления.

Типовые схемы включения фотодиода

Рисунок 13 - Схемы включения для фотогальванического режима

Рисунок 14 - Схемы включения для фотодиодного режима

Если требуется максимальное быстродействие, то фотодиод используют в режиме фотопроводимости, в котором на него подается большое обратное напряжение смещения. Это приводит к значительному расширению обедненной зоны возле области p-n перехода и к уменьшению собственной емкости фотодиода. Однако надо помнить, что при этом возрастают и темновой ток, и собственный дробовой шум фотодиода. Фотосенсор, собранный по такой схеме, может работать на частотах в сотни мегагерц.

Микроэлектронная технология позволила формировать на небольших кристаллах кремния фотодиоды вместе с интегральными схемами усиления фототока, обеспечивая не только высокое быстродействие, но и весьма высокую чувствительность.

ДОСТОИНСТВА ФОТОДИОДОВ

· Сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия.

· Фотодиод может работать в двух режимах: фотогальванический -- без внешнего напряжения, фотодиодный -- с внешним обратным напряжением.

· Простота технологии изготовления и структуры, однородность параметров изготавливаемых структур (что особенно важно для многоэлементных приемников).

· Малое сопротивление перехода обеспечивает высокие значения фото ЭДС (для Si до 0,7- 0,8 В) что обеспечивает возможность их применения для эффективной генерации энергии.

· Совместимость технологии с технологией ИС, что дает возможность изготавливать интегральные фотоприемники.

· Широкая номенклатура, изготавливаются серийно. Можно подобрать фотодиод практически для любых решаемых задач. Сравнительно недороги.

9. Фототранзистор

Биполярный фототранзистор -- полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами -- предназначен для преобразования светового потока в электрический ток.

При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим -- отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен).

Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью -- порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в п раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора

Важным параметром фототранзистора является темновой ток. Величина его, как правило, не превышает единиц микроампер для кремниевых фототранзисторов. Чувствительность фототранзисторов к световому излучению характеризуется интегральной чувствительностью и определяется как отношение выходного тока фототранзистора к световому потоку, вызвавшему этот ток:



Семейство световых характеристик биполярного фототранзистора показывает, что выходной ток возрастают с увеличением светового потока. Причем ток растет быстрее при больших напряжениях коллектор-эмиттер.

Для транзисторов функция преобразования будет иметь следующий вид:

Рисунок 12 - a) электрическая схема; б) эквивалентная схема

Рисунок 13 - а) Семейство характеристик фототранзистора BPW 22;

б) Кривая спектральной чувствительности фототранзистора BPW 22.

Параметры фототранзисторов в значительной степени зависят от температуры окружающей среды. С ростом температуры чувствительность и темновой ток фототранзисторов увеличивается.

Фототок фототранзистора усиливается в в раз по сравнению током фотодиода. Соответственно в в раз увеличивается и чувствительность. Ток может быть усилен до 1000 раз, поэтому чувствительность фототранзистора во много раз больше чувствительности фотодиода. Однако поскольку произведение коэффициента усиления на полосу частот величина постоянная, то предельная частота уменьшается в в раз.

Фототранзистор может быть включен различными способами: по схеме эмиттерного повторителя, с общим эмиттером, в режиме регулировки коэффициента усиления и т.д.

Рисунок 13 - Примеры использования фототранзисторов в схемах управления: а) реле; б) реле после усиления; в) логической вентильной схемой; г) тиристором

Подавая на базу напряжение смещения, можно изменять чувствительность фототранзистора «сдвинуть, сместить его рабочую точку», приоткрывая его в той или иной степени, а значит регулировать параметры всей схемы. Трёхвыводные фототранзисторы встречаются реже двухвыводных

По сравнению с фотодиодами фототранзисторы редко используются для работы со слабыми сигналами, для прецизионных аналоговых измерений, а в случае приема модулированных сигналов строгие требования предъявляются к стабилизации рабочей точки. Напротив, достаточно высокое усиление фототока, в результате чего нередко отпадает необходимость в промежуточных усилителях, успешная работа с немодулированными сигналами, высокими уровнями излучения, схемотехническая гибкость предопределили широкое применение фототранзисторов в различных пороговых схемах автоматики, оптронах

ДОСТОИНСТВА ФОТОТРАНЗИСТОРОВ

· наличие механизма внутреннего усиления т.е. высокая фоточувствительность

· схемотехническая гибкость связанная с наличием третьего электрода

ОСНОВНЫЕ НЕДОСТАТКИ

· ограниченное быстродействие

· температурная зависимость параметров

10. ФЭУ. Внешний фотоэффект

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.



ВАХ соответствует двум различным энергетическим освещенностям катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями

Максимальное значение фототока насыщения определяется таким значением напряжения U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода. Ток насыщения пропорционален падающему световому потоку

Из ВАХ следует, при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые из катода, обладают некоторой начальной скоростью и, а значит и отличной от нуля кинетической энергией, поэтому они могут достигнуть катода без внешнего поля. Для того, чтобы фототок стал равным нулю, необходимо приложить задерживающее напряжение.

Фотоэлектронным умножителем (ФЭУ) называют электровакуумный прибор, преобразующий энергию оптического излучения в электрические сигналы и содержащий фотокатод, вторично-электронный умножитель и анод.



Рисунок 14 - Принципиальная схема фотоумножителя

Принцип действия и устройство. Высокоэнергичные электроны, бомбардируя поверхность твердого тела, могут, в свою очередь, выбить электроны из поверхности; это явление называется вторичной электронной эмиссией. Когда число эмиттируемых поверхностью электронов превосходит число упавших, появляется возможность усиления первоначального сигнала. Это явление используется в фотоэлектронных умножителях.

Первичный электронный сигнал состоит из электронов, эмиттированных фотокатодом, находящимся в вакууме, под действием падающего излучения. Эти электроны обычно фокусируются электростатическим полем на первый из последовательно расположенных электродов -- динодов, покрытых материалом, для которого вторичная электронная эмиссия значительна. Потенциалы к последовательно расположенным динодам подводятся от резистивного моста; от динода к диноду они возрастают таким образом, что вторичные электроны, вылетевшие из k-го динода, фокусируются на (k+1)-м диноде, причем каждый из электронов в свою очередь выбивает из динода несколько вторичных электронов (рис. 14). Если каждый электрон, бомбардируя динод, выбивает в среднем вторичных электронов и система содержит п динодов (с одинаковым приращением потенциала), то в принципе достигается умножение числа первичных электронов на коэффициент .

Для монохроматического потока фототок катода зависит от квантового выхода фотоэмиссионного материала и пропускания окна

Рисунок 15 - Питание динодов фотоумножителя

Питание ФЭУ чаще всего осуществляется от источника высокого напряжения U_ПИТ = (1...2,5) кВ через резисторный делитель.

Обычно все сопротивления в делителе одинаковы, но нужно обязательно ознакомиться с паспортом ФЭУ, могут быть делители неравномерные. Иногда на первых динодах нужно сильнее ускорять электроны, чем на оконечных для улучшения условий вытягивания с фотокатода и уменьшения разброса амплитуд выходных импульсов. Все определяется конструкцией динодной системы и материалом динодов

К стабильности источника питания обычно предъявляются высокие требования, особенно для работы в токовом режиме. Коэффициент усиления К быстро растет с напряжением, так что стабильность должна быть не хуже 10^-4 - 10^-5.

Спектральная область чувствительности ФЭУ ограничивается с длинноволновой стороны порогом чувствительности фотокатода, а с коротковолновой- границей пропускания оптического окна.

Применение фотоумножителей

Преимущества фотоумножителей прежде всего связаны с их высокой чувствительностью, минимальным шумом и высоким быстродействием. Эти качества особенно подходят для обнаружения оптических сигналов очень малого уровня, непрерывных или импульсных, в таких областях, как астрономическая радиометрия, спектрофотометрия, лазерная телеметрия излучения, оптическая локация, лидары.

Кроме того, возможность выбрать сочетание фотокатод -- окно позволяет согласовать кривую спектральной чувствительности со спектром исследуемого излучения.

Однако значительные габариты, хрупкость, высокая стоимость и необходимость питания хорошо стабилизированным высоким напряжением ограничивают возможность применения фотоэлектронных умножителей

Размещено на Allbest.ru