3.9 Физические основы создания фоторезистивных измерительных преобразователей
В основе работы резистивных измерительных преобразователей световых величин лежит использование внутреннего фотоэффекта в полупроводниках:
.
(3.46)
Физическая сущность данного эффекта заключается в генерации фотонами электронно-дырочных пар в полупроводнике, что сопровождается последующей их рекомбинацией. Кинетика этих процессов включает в себя и тепловую генерацию свободных носителей зарядов. Поэтому при эксплуатации полупроводниковых преобразователей нужно учитывать влияние температуры.
При отсутствии светового потока (Ф = 0) происходит тепловая генерация носителей зарядов, что обуславливает наличие «темнового тока», зависящего от температуры окружающей среды:
.
(3.47)
В связи с этим, при измерении слабых световых потоков с целью повышения чувствительности специально охлаждают фотоприемник.
В состоянии генерационно-рекомбинационного равновесия уравнение кинетики имеет вид:
,
(3.47)
где:
-
концентрация электронов или дырок при
Ф = 0;
n - концентрация носителей зарядов;
r – коэффициент рекомбинации носителей зарядов.
Зависимость
определяет
влияние температуры на «темновой ток»
преобразователя. При освещении (Ф
)
кванты света с энергией (
)
генерируют заряды. При этом происходит
их рекомбинация, зависящая от многих
факторов, в том числе и от геометрии
фоторезисторов.
,
(3.48)
где: η – КПД выхода электронов в результате фотоэффекта,
R – коэффициент отражения,
V - объем фотоприемника.
Так как процесс рекомбинации зарядов пропорционален квадрату концентрации электронов:
,
(3.49)
то функциональную зависимость удельного сопротивления фоторезистора от величины светового потока без учета «темнового» тока можно представить упрощенной зависимостью:
ρ ~
.
(3.50)
Если поверхность фоторезистора специально сделать большой по сравнению с объемом фоторезистора, например, гребенчатой формы, то это приведет к накоплению зарядов в объеме полупроводника. При протекании тока через такой фотоприемник происходит усиление выходного сигнала по сравнению с обычной конструкцией преобразователя за счет использования явления накопления зарядов в объеме полупроводника.
Рис. 3.15 Устройство и принцип работы высокочувствительного фоторезистора.
Опрос электрическим полем такого фотоприемника производится периодически, обеспечивая режим накопления зарядов:
;
(3.51)
где
-
постоянные времени рекомбинации и
опроса,
К – коэффициент усиления фоторезистора.
Фотоэлементы с накоплением заряда используются для измерения сверхслабых световых потоков.
Рис. 3.16 Схемы включения полупроводникового фотоэлемента в генераторном и параметрическом режимах работы.
Фоторезисторы
изготавливают из полупроводниковых
гомогенных, гетерогенных, моно- и
поликристаллических материалов с
собственной и примесной проводимостью.
При этом значения сопротивлений
фоторезисторов имеют широкий диапазон:
.
При использовании фоторезисторов в качестве измерительных преобразователей необходимо учитывать ряд особенностей их работы, в том числе:
время установления величины тока через фоторезистор при резком изменение светового потока неодинаково при уменьшении и увеличении светового потока, т.к. генерация электронов происходит значительно быстрее, чем их рекомбинация, что приводит к искажению сигнала на выходе преобразователя и задержке его во времени;
увеличение чувствительности фоторезисторов приводит к уменьшению их быстродействия (
);быстродействие и чувствительность фоторезисторов зависят от уровня освещенности и температуры, при повышении интенсивности светового потока и температуры преобразователя его метрологические характеристики ухудшаются;
собственные шумы фоторезистора связаны с тепловым возбуждением и флуктуациями процессов генерации и рекомбинации электронов;
нужно учитывать влияние неравномерности тепловых полей, окружающих фоторезистор, температуру элементов конструкций и т.п.
Внешние шумы (обусловленные тепловым излучением окружающих предметов и т.п.) влияют на метрологические характеристики измерительных преобразователей, поэтому фоторезисторы необходимо защищать от влияния внешних воздействий, при необходимости требуется производить их дополнительное охлаждение.
В настоящее время на основе полупроводниковых материалов, создаются и широко применяются разнообразные типы фотоэлектронных преобразователей, предназначенных для измерения и контроля различных физических величин: фотодиоды и фототранзисторы; фотодиодные линейки и матрицы на их основе; приборы с зарядовой связью (ПЗС - матрицы) и другие типы фотопреобразователей.