Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрические преобразователи по основному своему назначению основаны на принципе преобразования излучения оптического диапазона в электрический сигнал. Оптический диапазон занимает область спектра электромагнитных излучений от глубокого ультрафиолетового (от 0,01 мкм) до дальнего инфракрасного излучения (до 1000 мкм) (рисунок 2.1).

Это излучение может быть как собственным излучением исследуемого объекта, так и отраженным или рассеиваемым его поверхностью, или частично поглощенным, если тело полупрозрачно. Ряд фотоэлектрических преобразователей использует принцип прерывания. Интервалы засветки прерывания освещенности являются в этом случае информативным параметром изучаемого процесса.

Рисунок 2.1 – Спектр оптического излучения

Преобразователи собственного излучения исследуемых объектов принято называть пассивными. Такие преобразователи позволяют оценивать энергетические, спектральные, фазовые, поляризационные характеристики изучаемого излучения.

Преобразователи, построенные на принципе преобразования излучения от внешнего источника, взаимодействующего с исследуемым объектом, называют активными. В качестве внешних источников в активных преобразователях используются светодиоды, твердотельные и полупроводниковые лазеры. В последнее время в сочетании с волоконными элементами начали использоваться волоконно-оптические лазеры.

Таким образом, специфической функцией фотоэлектрических преобразователей является преобразование оптического излучения в электрический сигнал. Эта функция выполняется разнообразными приемниками излучения, которые в основном относятся к двум группам - собственно фотоэлектрическим и тепловым.

К фотоэлектрическим относятся приемники с внешним и внутренним фотоэффектами.

Группу приемников с внешним фотоэффектом составляют вакуум- газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Исторически были первыми практическими фотоэлектрическими преобразователями созданы во времена развития вакуумной электроники, имели кислотно-цезиевый или сурмяно-цезиевый фотокатод. Однако при бесспорных достоинствах этой группы преобразователей - высокая чувствительность (фотоумножители, газонаполненные фотоэлементы) и высокое быстродействие (вакуумные фотоэлементы и фотоумножители) - они обладают и бесспорными недостатками (необходимость высоких питающих напряжений и существенные габариты), что делает предпочтительным использование в современных датчиках полупроводниковых фотоприемников с внутренним фотоэффектом.

Простейшим представителем этой группы фотоэлементов являются фоторезисторы, действие которых основано на зависимости их фотопроводимости от интенсивности и спектрального состава падающего на них излучения. Технологически фоторезисторы формируются в виде поликристаллических пластинок.

Большой селективностью и избирательной чувствительностью характеризуются монокристаллические фоторезисторы. Охлаждение фоторезисторов повышает их чувствительность в сторону длинноволнового излучения.

Зависимость фототока в цепи фоторезистора нелинейна, причем нелинейность зависит от освещенности. Постоянная времени прессованных резисторов наибольшая, у монокристаллических - наименьшая. С ростом освещенности инерционность уменьшается. Главным достоинством фоторезисторов является простота их устройства и низкая стоимость, главным недостатком - заметная инерционность (по сравнению с другими фотоэлектрическими преобразователями) и температурная и временная нестабильность.

Фотоэлектрические приемники, в которых под действием излучения возникает фото-ЭДС, называются вентильными фотоэлементами, или фотоэлементами с запорным слоем. Они выполняются на основе полупроводниковых р-n переходов и могут использоваться не только в вентильном, но и в диодном режиме - с внешним источником обратного напряжения, поданного на фотодиод. Структура фотодиода представлена на рисунке 2.2. На рисунке 2.3 представлены спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2) фотодиодов. Кремний и германий являются основными материалами для изготовления фотодиодов.

Рисунок 2.2 – Структура фотодиода

Рисунок 2.3 - Спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2) фотодиодов

Обратный ток кремниевых р-n переходов существенно меньше, чем германиевых. Поэтому порог чувствительности кремниевых фотодиодов порядка 10^-13... 10^-14 Вт/Гц^1/2, германиевых - порядка 10^-12 Вт/Гц^1/2. Кремниевые фотодиоды работают в более широком интервале температур.

В диодном режиме фотоприемники имеют существенные преимущества по сравнению с вентильным режимом (большее быстродействие, лучшая стабильность, больший динамический диапазон, большая чувствительность в ИК-области). Недостатком диодного режима является наличие темнового тока. На рисунке 2.4 представлены частотные характеристики кремниевых фотодиодов р-типа (а) в вентильном и диодном режиме и n-типа (б) в диодном режиме.

Рисунок 2.4 - Частотные характеристики фотодиода на основе кремния р-типа (а) n-типа (б) при напряжении 1 - 0 В; 2 - 1 В; 3 - 4 В; 4 - 10 В; 5 - 100 В; 6 - 15 В; 7 - 150 В

Существуют важные разновидности фотодиодов: p-i-n диоды - а, лавинные - б, гетерофотодиоды - в (рисунок 2.5) и др.

Рисунок 2.5 – Структура p-i-n, лавинного и гетерофотодиода

В p-i-n имеются три области - сильнолегированная n⁺- область, область с малой концентрацией примеси (i-область) и сильнолегированная р⁺- область. В лавинных фотодиодах реализуется усиление тока, обусловленное умножением числа носителей за счет ионизации атомов кристаллической решетки.

Гетерофотодиоды используют слоистую структуру из разных полупроводниковых материалов.

Преимущество этих трех реализаций состоит в том, что достигается высокая чувствительность при высоком быстродействии.

На рисунке 2.6 показана спектральная характеристика гетероэпоксиального p-i-n диода с гетеропереходом тонкого р-слоя Ga_1-хAl_xAs и р и n слоев GaAs. Видно, что фотодиоды такого вида с успехом могут использоваться в видимой и ультрафиолетовой области спектра. Такие фотодиоды имеют расширенный температурный диапазон использования.

Рисунок 2.6 - Спектральная характеристика p-i-n-диода с гетеропереходом Ga_1-хAl_xAs - GaAs

Лавинные фотодиоды на основе кремния обладают внутренним усилением до 103, высокой чувствительностью до 1 А/Вт на длине волны λ= 0,9 мкм, малой инерционностью - до 0,5 нс, низким порогом – до 10-15 Вт/Гц1/2. Биполярный фототранзистор имеет два р-n перехода. Фотовоспринимающей частью является освещаемая часть перехода база - коллектор (рисунок 2.7). Следует только иметь в виду, что во столько же раз, на столько фоторезистор усиливает фототок и во сколько увеличивается интегральная чувствительность по сравнению с аналогичным фотодиодом, уменьшается предельная частота, т.е. произведение коэффициента усиления на ширину полосы остается неизменным и соответствует этой величине для фотодиода. Спектральные характеристики фототранзисторов из германия и кремния аналогичны характеристикам фотодиодов.

Рисунок 2.7 - Структура биполярного фототранзистора

Рисунок 2.8 - Структура полевого фототранзистора

Структура полевого фототранзистора представлена на рисунке 2.8. Такие транзисторы характеризуются высоким входным сопротивлением (до 10⁶ Ом) и имеют хорошие пороговые характеристики, высокое быстродействие (вследствие отсутствия инжекции и диффузионной емкости на входе). Эти фототранзисторы имеют лучшую температурную стабильность и повышенную радиационную стойкость по сравнению с биполярными фото-транзисторами.

В тепловых фотоприемниках энергия оптического излучения преобразуется в тепловую при ее поглощении приемной площадкой. Приемная площадка покрывается высокопоглощающим покрытием с коэффициентом черноты более 0,9. Такие покрытия не селективны и поглощают интегральный тепловой поток во всем диапазоне длин волн падающего излучения. Приемная площадка изолируется от конструкции фотоприемника, благодаря чему по изменению температуры нагрева площадки можно судить о величине падающего потока излучения.

По способу изменения температуры приемника тепловые фотоприемники подразделяются на термоэлектрические, болометрические, пироэлектрические.

Термоэлектрические приемники используют фольговые термобатареи. Для повышения чувствительности и быстродействия таких приемников уменьшают размеры приемных площадок. Так, в радиационных термометрах для измерения температуры в диапазоне -60...+100 °С используют приемные площадки диаметром 3 мм с поглощением излучения в области от 0,4 до 25 мкм, чувствительностью 0,1 В/Вт и постоянной времени 0,4 с.

В болометрах используется терморезистивный способ измерения температуры. Приемной площадкой является сам чувствительный элемент с теплопоглощающим покрытием.

В качестве терморезистивного материала используются металлы или полупроводники в виде автономной фольги либо пленки, нанесенной на изоляционную подложку. Порог чувствительности таких болометров находиться на уровне 10^-6К.[1]

Датчики положения

С помощью датчиков положения можно бесконтактным способом дистанционно регистрировать процессы перемещения и управлять ими. Пример применения такого датчика показан на рисунке 2.9.

Например, нужно зарегистрировать вибрацию какого-либо механизма в процессе работы при различных нагрузках. Для этого на нем в характерном месте устанавливают светодиод (излучатель).

Излучение этого светодиода с помощью отображающей оптики (например, линзы) фокусируется на датчике положения.

Рисунок 2.9 - Схема устройства для регистрации вибрации механизма

В принципе такой датчик состоит из удлиненного pin-диода с двумя выходными электродами с одной стороны и одним электродом с противоположной стороны (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 - Структура датчика положения: подложка из высокочистого кремния является i-областью с собственной проводимостью

При неработающем механизме отображающая оптика юстируется таким образом, чтобы на обе части pin-диода попадало излучение одинаковой интенсивности, т. е. 1_А=I_В. Как только светодиод начинает перемещаться из-за вибраций механизма, интенсивность перераспределяется и нарушается равенство токов 1_А и I_В. В итоге разность ΔI=[1_А - I_В] оказывается мерой уровня вибрации механизма, которую можно оценивать при разных режимах работы. Важнейшие характеристики датчиков положения графически представлены на рисунке 2.10. Линейность измерения положения (рисунок 2.10, б) означает отклонение выходного сигнала от номинального значения (в процентах) при линейном смещении по всей длине датчика (в данном случае 30 мм). Это важнейшая характеристика соблюдается в пределах погрешности ±1 %.[2]

Р - генератор фототока; D - идеальный диод; С_j- емкость рn-перехода; R_sh - сопротивление шунта; R_ie - поверхностное сопротивление

Рисунок 2.10 Спектральная чувствительность (а), линейность измерения положения (б), температурная зависимость спектральной чувствительности (в) и эквивалентная схема (г) датчика положения

Типичными примерами применения оптических датчиков положения являются измерения протяженных объектов (например, туннелей, зданий, конструкций) с помощью луча лазера, направляемого на датчик. Отклонение луча от центра, датчика вследствие перемещений или вибраций может быть измерено с большой точностью.