XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к фотоприемникам особенно усилился в связи с появлением различного типа источников когерентного и некогерентного излучения. Создание инжекционных полупроводниковых светодиодов и новых типов полупроводниковых фотоприемников на основе одного или нескольких р-n- переходов в миниатюрном и микроминиатюрном исполнениях способствовало бурному развитию такой новой области электронной техники, как оптоэлектроника.

Фотоприемники заняли такое важное место в технике, что без их использования было бы немыслимо создание важнейших систем и устройств как гражданской, так и оборонной техники. Кино- и фототехника, волоконно-оптические линии связи и дальнометрия, лазерная локация и лазерная передача информации, системы тепловидения и прицеливания, разведка природных ресурсов и астрофизические исследования, диагностика плазмы и ранних этапов заболеваний человека, анализ загрязнений окружающей среды и многие другие области техники не могут успешно развиваться без применения различных типов современных фоточувствительных устройств.

ФОТОПРИЁМНИКИ. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

В качестве фотоприемников могут использоваться различные вакуумные, газоразрядные и полупроводниковые фотоэлектрические приборы, у которых выходным параметром является изменяющийся во времени импеданс Z_ФD. Наиболее важной категорией являются полупроводниковые фотоприемники.

Принцип действия полупроводниковых фотоприемников основан на использовании внутреннего фотоэффекта в твердых телах. Он заключается во внутреннем освобождении носителей заряда под действием света. При этом поглощаемые полупроводником кванты излучения освобождают носители с примесных уровней или из валентной зоны.

Соответственно различают: собственную и примесную фотопроводимости. Очевидно, что для каждого из этих видов проводимости характерна некоторая минимальная энергия кванта E = hн, определяющая длинноволновую границу л_гр.

В оптоэлектронике большое значение имеют такие характеристики фотоприемников, как спектральная чувствительность; быстродействие и отношение сигнал/шум[1].

Поскольку оптоэлектронные генераторы в основном работают в ближней ИК области и имеют узкие спектры излучения» для фотоприемников вид кривой спектральной чувствительности не имеет существенного значения. Важно, чтобы чувствительность прибора Sc была максимальной на данной рабочей длине волны.

Для спектрального диапазона в оптоэлектронике (видимая и близкая инфракрасная области) фотоприемники изготовляются на основе материалов A¹¹B^V1(InS, InSe, In_xCd_1-x, Se, CdS, CdSe, CdTe, CdS_x, CdSe_xTe_1-x)

Фотоприемники на основе материалов A¹¹B^1V - хорошо согласуются по спектральным характеристикам с электролюминофорами. Область спектральной чувствительности фотоприемников типа CdS и его аналогов (CdTe, CdSe) и твердых растворов на их основе перекрывает всю видимую часть спектра от 400 до 900 нм. Интегральная чувствительность на этих материалах достаточно высока и составляет 0,1…10 А/лм*В.

В результате сопротивление при освещенностях 10² … 10³ лк изменяется в пределах 10⁷…10⁸

Уровень допустимой инерционности для стандартных приборов характеризуется значением времени переключения: для стандартных приборов ф= 10^-5… 10^-8 с; быстродействующих 10^-8 …10^-10 с; перспективных разработок 10^-10 …10^-12 - с.

На время переключения существенно влияет сопротивление нагрузки: с его увеличением определяющими становятся процессы перезарядки паразитных емкостей. В то же время уменьшение входных сопротивлений усилителей не позволяет реализовать минимально возможное отношение сигнал/шум. В частности, для достижения порога чувствительности типичных кремниевых фотодиодов необходимы усилители с входным сопротивлением ~ 10⁷ Ом и при этом постоянная времени не может быть менее 10^-4 ..10^-5  с [2].

ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

Параметры излучения, преобразуя модулированное по интенсивности световое излучение в электрический сигнал, осуществляют детектирование света. Основными параметрами приемников являются чувствительность, темновой ток и порог чувствительности. Параметры определяются при заданных источнике излучения (обычно монохроматическом), электрическом режиме и температуре.

Чувствительность представляет собой отношение изменения электрической величины на выходе приемника, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной. Для приемников ВОСП обычно указывается монохроматическая чувствительность по току. Электрической величиной на выходе здесь является ток, а количественной характеристикой излучения – мощность монохроматического источника на входе приемника с заданной длиной волны.

Темновым током называют постоянный ток, протекающий через приемник в отсутствие действия светового потока в диапазоне спектральной чувствительности. Темновой ток является одним из источников шума.

Порог чувствительности определяется как среднеквадратическое значение первой гармоники действующего на приемник модулированного потока излучения источника фотосигнала, при котором среднеквадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднеквадратическому значению напряжения (тока) шума, приведенному к единичной полосе на частоте модуляции потока излучения. Иными словами порог чувствительности находится, когда отношение сигнал-шум на выходе в полосе 1 Гц равно единице[3].

Помимо указанных параметров в паспорте приборов приводятся некоторые параметры электрической эквивалентной схемы (на пример, емкость, последовательное сопротивление), параметры предельно допустимого режима (допустимые значения напряжения, мощности, рабочих температур), а также условия хранения приборов.

Основными характеристиками приборов являются вольтамперная, спектральная, энергетическая, частотная и переходная. Вольт-амперная характеристика строится для заданных входной мощности температуры. Остальные характеристики соответствуют указанному электрическому режиму и постоянной температуре. Спектральная характеристика отражает зависимость монохроматической чувствительности от длины волны регистрируемого потока излучения.

Она может быть абсолютной и относительной. В первом случае по оси ординат откладывается абсолютная величина чувствительности (например, в А/Вт), во втором – относительная величина, отнесенная к максимуму спектральной чувствительности. Энергетической характеристикой называют зависимость фототока от входной мощности оптического излучения.

Частотная характеристика представляет собой зависимость чувствительности от частоты гармонической модуляции потока излучения. Переходная нормированная характеристика определяется под действием импульса оптического излучения в форме единичной ступени. Это – зависимость от времени отношения фототока, описывающего реакцию приемника установившемуся значению фототока. Переходная характеристика может быть прямой и обратной. Первая соответствует ступеньке появления излучения, вторая – прекращению излучения[4].

Энергетическая, частотная и переходная характеристики определяются для источника с заданной длиной волны. Частотная и переходная характеристики обычно приводятся для фиксированного сопротивления нагрузки. По этим характеристикам находят параметры, описывающие частотные и импульсные свойства прибора: предельную частоту, время нарастания и спада.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ФОТОПРИЕМНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ

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

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

ФОТОРЕЗИСТОРЫ

Представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта. Конструктивно же - это объем полупроводника, заключенный между двумя электродами, проводимость которого изменяется под действием падающего излучения.

Возможны поперечная и продольная конструкции фоторезисторов. В первом случае прикладываемое электрическое поле и возбуждающий свет действуют во взаимно перпендикулярных плоскостях, во втором - в одной плоскости [5].

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

Рисунок 1- Спектральные характеристики фоторезисторов

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

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

Порог чувствительности фоторезисторов определяются дрейфом темнового сопротивления и шумами различных видов.

Фотонный шум определяется флуктуациями числа фотонов, попадающих на фотоприемник.

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

Следует отметить, что фоторезисторы могут иметь самые разнообразные конструктивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, кольцевой формы и т.д. Представляют интерес дифференциальные фоторезисторы, которые имеют три вывода и могут прямо включаться в дифференциальные измерительные цепи. Позиционно-чувствительные фоторезисторы выполняют роль бесконтактных реохордов и делителей тока, управляемых перемещением светового пятна[6].

Фоторезисторы широко применяются в преобразователях перемещений. В этом случае перемещение светового зонда возможно как в направлении, перпендикулярном электродам, так и в направлении, параллельном электродам.

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

ФОТОТРАНЗИСТОРЫ. ФОТОДИОДЫ.

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

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

Инерционность ФД определяется временем пролета носителей (10^-8-10^-9с) и постоянной времени RC-цепи, образованной емкостью p-n-перехода и последовательно включенной с ней суммой сопротивлений собственно ФД и нагрузки R_н. Емкость p-n-перехода для фотодиодов составляет в зависимости от площади перехода 10 – 100 пФ и уменьшается с увеличением обратного напряжения, приложенного к переходу.

В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей (рисунок 3,а) или мостовые измерительные цепи (рисунок 3,б), позволяющие в известной степени уменьшить влияние дрейфа темнового тока. ФД по напряжению хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому используются обычно в схемах совместно с операционными усилителями (рисунок 4,в)[7].

Рисунок 3- Схемы делителей (а,б)

Рисунок 4- Схема совместно с операционными усилителями (в)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование традиционных электрических датчиков в составе ИИС с волоконно-оптическими каналами требует подвода к ним энергии питания по дополнительной электрической проводной линии. А также наличия преобразователя неоптического информационного сигнала такого датчика в оптический и устройств согласования с волоконно-оптическим каналом.

Все это с учетом погрешностей самих электрических датчиков снижает уровень помехозащищенности и точность ИИС, повышает их размеры и массу. Кроме того, в очень многих промышленных применениях использование электрических датчиков ограничено допустимыми условиями эксплуатации. Поэтому для ИИС во многих случаях предпочтительно использовать пассивные датчики, использующие в своей работе сигналы той же природы, что и волоконные световоды.

Так, имеется большая потребность в пассивных датчиках давления, уровня жидкости, перемещения, температуры и т. д., пригодных для работы в условиях взрывоопасности, высокой радиации, высоких и низких температур, агрессивных сред и т.п.

Список литературы

Интернет ресурс: http://www.poligrafmarket.ru/catalog/lazernye-gravery/lazernyy-kompleks-g-weike-lc6040/#tab-desc-link

Горохов П.К. Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины. // Издательство: Русский язык-1993.

А.И. Мазур. Исследование спектральной характеристики полупроводникового фотоэлемента. Методические указания к лабораторной работе М 67 для студентов 2-го курса всех специальностей. // Хабаровск - 2000.

Интернет ресурс: https://revolution.allbest.ru/physics/00448718_0.html

А.М. Прохоров. Физический энциклопедический словарь. // 1983.

А.М. Прохоров. Физическая энциклопедия. // Москва - 1998.

Н.С. Ачеркан. Справочник машиностроителя. В шести томах. Том 2. Издание второе и переработанное. // Москва - 1955.

Код для цитирования: Скопировать