- •Введение
- •Тема1. Оптическое излучение. Принципы работы квантовых систем.
- •1.1.Основные характеристики и параметры оптического излучения
- •Основные энергетические и светотехнические параметры
- •1.2. Энергетическое состояние квантовых систем
- •1.3. Взаимодействие электромагнитного излучения с квантовыми системами
- •1.3.1 Резонансное поглощение (вынужденное поглощение)
- •1.3.2.Спонтанное излучение.
- •1.3.3.Вынужденное излучение
- •1.4.Инверсная населенность и методы ее создания.
- •1.5. Спектральные свойства активной среды
- •Естественная ширина спектральных линий.
- •1) Уширение линии из-за столкновений.
- •2) Уширение линии из-за эффекта Допплера.
- •3) Другие причины уширения спектральной линии.
- •1.6. Принцип действия лазера
- •1.7. Оптические резонаторы.
- •2.1. Условия генерации лазера.
- •2.2. Cвойства и характеристики лазерного излучения
- •2.3. Классификация лазеров
- •2.3. Твердотельные лазеры
- •2.4. Газовые лазеры
- •Гелий-неоновый (He-Ne ) (атомарный) лазер.
- •2.5. Молекулярный со2 – лазер
- •Тема 3. Полупродниковые лазеры
- •3.1. Виды излучательных переходов
- •3.2. Основные характеристики полупроводниковых излучателей.
- •3.3 Инжекционные лазеры на гомопереходах.
- •3.4 Полупроводниковые инжекционные лазеры на
- •Тема 4. Некогерентные оптические излучатели
- •4.1. Светоизлучающие полупроводниковые диоды (сид)
- •Тема 5. Оптичекие приемники излучения
- •5.1. Поглощение света в твердых телах.
- •5.2. Классификация фотоприемников, основные параметры и характеристики.
- •5.3. Фотодиоды
- •5.3.1. Фотодиоды на основе p-n – перехода
- •5.4. Фотоприемники с внутренним усилением
- •5.5. Фоторезисторы
- •Тема 6. Оптроны
- •6.1. Принцип действия оптронов, структурные схемы и свойства.
- •6.1.1. Принцип действия оптронов
- •6.1.2. Структурные схемы оптронов
- •6.1.3. Назначение и требования к элементам оптрона
- •6.1.3.1. Назначение элементов
- •6.1.3.2. Требования к элементам оптрона
- •6.2. Параметры оптронов
- •6.2.1. Входная характеристика
- •6.2.2. Передаточная характеристика
- •6.2.3. Выходная характеристика
- •6.2.4. Быстродействие оптронов
- •6.2.5. Коэффициент спектрального согласования Кλ
- •6.2.6. Параметры изоляции
- •6.2.7. Добротность оптронов
- •6.2.8. Оптические вносимые потери w
- •6.3. Классификация оптронов
- •6.3.1. Условные схемные обозначения оптронов
- •6.3.2. Основные параметры различных типов оптронов
- •6.4. Применение оптронов
- •6 .4.1. Классификация оптронов по применению
- •6.4.1.1. Цифровые оптроны
- •6.4.1.2 Аналоговые оптроны
- •6.4.1.3. Ключевые оптроны
- •6.4.1.4. Специальные оптроны
- •Литература
5.4. Фотоприемники с внутренним усилением
Основными типами ФП с внутренним усилением являются:
- фототранзисторы;
- фототиристоры;
- лавинные фотодиоды.
Фототранзисторы – ФП с двумя p-n-переходами. Конструктивно это плоский транзистор из германия или кремния. В электрическую цепь они обычно включаются по схеме с общим эмиттером. База может не иметь внешнего вывода.
При отсутствии оптического излучения, падающего на фототранзистор, все напряжение падает на коллекторном переходе. База принимает оптическое излучение через тонкий слой эмиттера и под его действием в базе генерируются фотоносители.
Дырки области базы, образовавшиеся в результате взаимодействия оптического излучения с р-областью базы, накапливаются в базе. Поле объемного заряда дырок в базе снижает потенциальный барьер эмиттерно-базового перехода, что способствует переходу электронов из эмиттера в базу, а затем и в коллектор (транзистор открывается).
Чувствительность фототранзистора возрастает в β раз по сравнению с ФД. Повышение чувствительности – главное преимущество фототранзисторов по сравнению с ФД. Фототранзисторы обладают более низким быстродействием, чем ФД (τ ≈ !0-5…10-6с). Повышение быстродействия достигается в интегральных фотоприемниках, которые представляют собой соединение ФД и транзистора.
5.5. Фоторезисторы
Принцип действия фоторезисторов основан на использовании эффекта фотопроводимости. Изменение проводимости фоторезистора при его освещении может быть записано как
∆σ = σф – σ0 = е(μn∆n + μp∆p),
где е – заряд электрона;
μn, μp – подвижности электронов и дырок соответственно;
∆n – изменение концентрации электронов;
∆p - изменение концентрации дырок.
Скорость генерации носителей пропорциональна световому потоку
(∆n)' = (∆p)' = ηФ/ χ0
При начале освещения фоторезистора увеличивается концентрация носителей, но также увеличивается интенсивность их рекомбинации. Устанавливается статическое состояние для концентрации носителей и при t ≈ ∞
∆nу = τФη/ χ0,
где τ – время жизни неосновных носителей.
При выключении света происходит спад концентрации носителей
∆n =∆nу∙ exp(-t/τ).
Параметры и характеристики фоторезистора
Фоторезистор подключается на вход усилителя по схеме, приведенной на рис.
Величина снимаемого сигнала Uc определяется изменением напряжения на нагрузочном резисторе Rн при изменении сопротивления Rф фоторезистора в момент его облучения. Конденсатор C служит разделительной емкостью, не пропускающей на вход усилителя постоянный ток от источника питания Uп. На вход усилителя поступает только переменная составляющая сигнала ∆Uс, возникающая за счет изменения Rф приемника при приеме модулированного или импульсного сигнала. Если Rн = Rф, то значение ∆Uс определится как
∆Uс = 0,25 Uп∙ ∆Rф/ Rф
Относительное изменение сопротивления ∆Rф/Rф определяется из соотношения
∆Rф/ Rф = (Rф - Rфс)/ Rф,
где Rфс – сопротивление фоторезистора в освещенном состоянии.
При Ф = 0 через фоторезистор будет протекать темновой ток, значение которого может быть определено как
Iт = bσ0∙Uп,
где b - коэффициент, определяемый геометрией фоточувствительного слоя;
σ0 – темновая проводимость ФП, определяемая как
σ0 = е(μnn0 + μpp0)
При освещении фоторезистора проводимость фоточувствительного слоя возрастает и через него потечет фототок
Iф = b(σ0 +σф)∙Uп ,
где σф – световая проводимость фоторезистора.
Параметром семейства ВАХ служит световой поток. Вид ВАХ фоторезистора представлен на рис.
На рис. показаны нормированные спектральные характеристики фоторезисторов. Спектральные характеристики показывают в какой области спектра может быть использован тот или иной фоторезистор.
Энергетические характеристики фоторезистора показаны на рис. Из рисунка видно, что они зависят от величины напряжения источника питания.
К достоинствам фоторезисторов следует отнести высокую интегральную чувствительность, малые массогабаритные характеристики.
К недостаткам – высокую инерционность (τ = 0,01…0,2 с), малую линейную зону энергетических характеристик, зависимость характеристик и параметров от температуры.
