Электроника. Раздел 2

Фотоэлектрические приборы

Приборы с внутренним фотоэффектом

Общие сведения

Фотоэлектрическим (фотоэлектронным) прибором называют преобразователь энергии оптического излучения в электрическую. К оптическим относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения с длиной волны от десятков нанометров до десятых долей миллиметра. Работа этих приборов основана на фотоэлектрических явлениях (фотоэффектах). Различают внутренний и внешний фотоэффекты.

Внутренний – возбуждение электронов вещества, т.е. переход их на более высокий энергетический уровень под действием излучения, благодаря чему изменяется концентрация свободных носителей заряда, а, следовательно, электрические свойства вещества. Он может проявляться в виде изменения электрической проводимости в однородных п/п или создании ЭДС в неоднородных. Его используют в фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах и т.д.

Внешний – фотоэлектронная эмиссия, т.е. выход электронов за пределы поверхности вещества под воздействием излучения. Используется в вакуумных и газоразрядных фотоэлементах, а так же в фотоэлектронных умножителях.

Фоторезисторы

Полупроводниковые фотоэлектрические приборы с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости п/п под воздействием оптического излучения.

Пластина или пленка из п/п материала 1 закреплена на подложке 2 из непроводящего материала – стекла, кварца или керамики. Световой поток подает на фотоактивный материал через специальное отверстие (окно) разной формы в пластмассовом корпусе. В качестве электродов используют металлы, не подвергающиеся коррозии (золото, платина) и образующие хороший контакт с полупроводником. Для защиты от внешних воздействий поверхность фотоактивного материала покрывают слоем прозрачного материала.

Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания Е_а, то в электрической цепи появится небольшой ток, называемый темновым, обусловленным наличием в неосвещенном п/проводнике некоторого количества свободных носителей заряда. При освещении фоторезистора ток в цепи существенно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют световым током или фототоком.

Одна из основных – энергетическая характеристика фототока фоторезистора, т.е. зависимость фототока от потока излучения Ф, выражаемое в люменах. При малых значениях светового потока характеристику можно считать линейной, а при больших – фототок не пропорционален световому потоку.

ВАХ фоторезисторов в основном прямолинейны.

Основные параметры фоторезисторов:

1. чувствительность , достигает 20А/лм.

2. Темновое сопротивление (сопротивление неосвещенных фоторезисторов) R_Т= 10² – 10⁹ Ом

3. Рабочее напряжение U_Р (зависит от размеров фоторезисторов)

Все параметры зависят от температуры, имеют большую степень инерционности.

Достоинства: высокая чувствительность, возможность использования в инфракрасной области спектра излучения, небольшие габариты, применимость для работы в цепях постоянного и переменного токов.

Фотодиоды

Полупроводниковые фотоэлектрические приборы с внутренним фотоэффектом, имеющим один электронно – дырочный переход и два вывода.

Работают в двух режимах:

1. без внешнего источника питания (режим фотогенерации)

2. с внешним источником энергии (режим фотопреобразователя)

В первом режиме используется фотогальванический эффект – разновидность внутреннего фотоэффекта, связанная с образованием разности потенциалов (фото ЭДС) при освещении неоднородного полупроводника. Обычно устройство фотодиодов таково, что световой поток при освещении прибора направлен перпендикулярно плоскости р-п-перехода. В отсутствие освещения и внешнего источника электрической энергии в области р-п-перехода возникает потенциальный барьер, обусловленный неподвижными носителями заряда. При падении светового потока возникает зона перехода основных носителей заряда. Возникает ток проходимости.

ВАХ фотодиода.

Характеристика неосвещенного диода с подключением источника питания аналогична п/п диоду. При освещении фотодиода существенно отличается лишь обратная ветвь характеристики. Отрезок ОВ соответствует напряжению холостого хода, т.е. фото ЭДС. Отрезок ОА – ток короткого замыкания фотодиода. Отрезок АС характеризует работу фотодиода в режиме фотогенератора.

Режим фотопреобразователя соответствует подачи на фотодиод напряжения в запирающем направлении (участок АС). Здесь ток практически равен току к.з. Поэтому чувствительность фотодиода по току в обоих режимах считают одинаковой.

Темновой ток фотодиодов, так же как и фоторезисторов ограничивает минимальное значение измеряемого светового потока. Спектральные характеристики зависят от материалов, используемых для их изготовления.

Частотные характеристики зависят от материалов фотодиодов.

Достоинства: более быстродействующие, по сравнению с фоторезисторами, но имеют меньшую чувствительность.

Фототранзисторы

П/п фотоэлектрический прибор с двумя р-п-переходами. Чаще всего фототранзистор изготавливается как плоскостной из германия или кремния, но лишь с двумя выводами: коллекторным и эмиттерным. Световой поток Ф падает на базовую область, поэтому эмиттер делают тонким и небольших размеров. Под воздействием фотонов в базе образуются новые пары носителей заряда – электроны и дырки. В фототранзисторе типа р-п-р неосновные носители заряда в базе движутся через коллекторный переход, поле которого является для них ускоряющим, на коллектор, создавая фототок I_Ф. Электроны, оставшиеся на базе, воздействуют на эмиттерный переход, уменьшая высоту потенциального барьера, что способствует переходу дырок из эмиттера в базу. Эти дырки движутся через базу на коллектор, вызывая увеличение фототока фототранзистора.

Чувствительность фототранзисторов значительно выше чем у фотодиодов. ВАХ аналогичны коллекторным характеристикам обычного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Энергетические характеристики линейны. Частотные значительно хуже чем у фотодиодов.

Параметры также сильно зависят от температуры.

Светодиоды

Обозначаются АЛ, АЛС, ИЛ, КЛ

Пример: АЛ305А – знаковый светодиод, красного свечения с яркостью свечения 350 кд/м².

Оптроны

Приборы, преобразующие электрические сигналы в оптические (лучистую энергию), передающие эту энергию индикаторам или фотоэлектрическим преобразователям.

Состоит из источника и приемника излучения, имеющих между собой определенную оптическую и электрическую связь и помещенных в один корпус.

1. выводы

2. фотоприемник

3. корпус

4. оптические среды

5. светодиод

В электронных устройствах оптроны выполняют функцию элемента связи, информация в котором передается оптически.

В качестве оптической среды применяются материалы, которые обеспечивают малые потери лучистой энергии при передаче от источника к приемнику (оптические клеи, лаки, силиконовые смазки). Обычные излучатели – светодиоды, приемники излучения – фоторезисторы, фототранзисторы, фотодиоды, фототиристоры.

Входные и выходные характеристики зависят от используемых в нем источников и приемников излучения. Наиболее важная – передаточная характеристика, определяемая отношением темнового сопротивления к световому сопротивлению - для фоторезистивных, - для фотодиодных и фототранзисторных. Здесь k_i – коэффициент передачи тока.

Инерционность оптронов характеризуется временем включения t_вкл и выключения t_выкл в импульсном режиме работы и граничной частотой f_гр при работе на высоких частотах.

Наиболее распространены фотодиодные и фототранзисторные оптроны, а также оптоэлектронные интегральные микросхемы.

Достоинства: высокое быстродействие; помехозащищенность, возможность применения в агрессивных и взрывоопасных средах, надежность, долголетие и температурная стабилизация.

Применяются в вычислительной технике, автоматике, КИП.

Система обозначений фотоэлектрических приборов

1 элемент – буквы, обозначающие группу приборов:

ФР – фоторезисторы

ФД – фотоприемники (фотодиоды)

2 элемент – буквы, обозначающие материал изготовления прибора

ГО – германиевый

ГБ – германиевый, легированные бромом

ГЗ – германиевый, легированный золотом

ГК – германиево – кремниевый сплав

К – кремниевый

КГ кремниевый, легированный галлием

РГ арсенид галлия

КА – селенид кадмия и т.д.

3 элемент – цифры от 001 до 999 – порядковый номер разработки.

4 элемент буква, подгруппа п/п фоторезисторов:

У – фототранзисторы униполярные

Б – фототранзисторы биполярные

Л – фотодиоды лавинные

Т – фототиристоры и т.д.

Примеры:

ФДГ3 –001К – фотодиод из германия, легированный золотом, координатный, номер разработки 001

ФЭУ 19 – фотоэлектронный умножитель, номер разработки 19.