Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
Фототранзистор сочетает особенности фотодиода и
обычного транзистора. pn-Переход между коллектором и базой
служит светочувствительной зоной пространственного заряда. Когда
пучок света падает на область базы эмиттера или коллектора, в этой
области образуются электроны и дырки. В направлении
коллекторного или эмиттерного перехода увеличивается ток
коллектора или эмиттера пропорционально коэффициенту усиления
фототранзистора. Максимальная чувствительность проявляется в
случае освещения базовой области в схеме с общим эмиттером. Еще
большее усиление получается в составном фототранзисторе. Как и у
диодов, при поступлении световых квантов на запирающий слой в
фототранзисторе высвобождаются носители зарядов.
Фотоэлектрический эффект фотодиода совмещается с эффектом
усиления транзистора, что обеспечивает более чем 30-кратное
увеличение чувствительности. Характерные величины коэффициента
усиления лежат между 100 и 700. Поскольку коэффициент усиления
зависит от тока, то выходной ток фототранзистора изменяется с
увеличением потока падающего света не линейно. Однако предельная
частота, равная 10—20 кГц, ниже, чем у фотодиодов. Быстродействие
фототранзисторов значительно хуже, чем у фотодиодов. Оно
составляет 10 -4- 10
-6
с. По этой причине фототранзисторы редко
используют для измерений.
Фотоэлектромагнитные приемники относятся к приемникам
оптического излучения с внутренним фотоэффектом. В них
электрический сигнал появляется только при взаимодействии
магнитного поля с диффузионным потоком носителей, который
создается оптическим излучением. На рис. 54 показана
конструктивная схема фотоэлектромагнитного приемника. Падающее
на фотоэлектромагнитный кристалл полупроводника оптическое
излучение порождает пары «электрон - дырка», которые
диффундируют в глубину полупроводника.
Магнитное поле, направленное перпендикулярно к
излучению, разделяет носители на электроны и дырки. Последние
отклоняются магнитным полем к противоположным поверхностям
кристалла, и между ними возникает разность потенциалов,
141
пропорциональная оптическому излучению. Фотоэлектромагнитные
приемники хорошо работают в инфракрасном диапазоне частот.
Рисунок 54 - Схема фотоэлектромагнитного приемника
Фотоприемники, работающие в инфракрасном диапазоне,
обладают свойством перехода типа «валентная зона - зона
проводимости». Достоинства таких полупроводников - это высокая
чувствительность и быстродействие.
В качестве фоточувствительного слоя используются
антимонид и арсенид индия, а также твердые растворы Pb
Pb
Se. В измерительной технике используются ИК
1-xSnx
1-хSnх
Te,
фотоприемники, захватывающие диапазон излучений от 0,5 до 14
мкм. Такие преобразователи обладают высоким пространственным
разрешением. Многоэлементные матрицы фотоприемников обладают
обнаружительной способностью, пропорциональной корню
квадратному из числа элементов.
Фототиристор представляет собой структуру, состоящую из
двух транзисторов типа p-n-р и n-p-n. Их основное достоинство способность переключения больших токов. С помощью
фототиристоров создаются преобразователи для систем контроля и
регулирования.
Интегральные фотоприемники функционально похожи на
фототранзисторы. Конструктивно они выполняются в корпусе
142
обычной микросхемы, причем при достаточно большом количестве
фоточувствительных элементов, изготовленных по интегральной
технологии, позволяет разместить все элементы схемы так, что
большая часть полезной площади занимает фоточувствительная
площадка.
Используя интегральные фотоприемники, можно создать
оптоэлектронные измерительные преобразователи, способные
реагировать не только на яркостно-временные, но и на
пространственные характеристики исследуемого объекта. Все
интегральные многоэлементные фотоприемники обладают
способностью сканирования, т. е. позволяют производить анализ
исследуемой площадки путем последовательного просмотра. При
этом распределение яркости объекта исследования преобразуется в
оптическое изображение и фокусируется на фото чувствительную
площадку. Когда схема сканирования производит опрос всех
элементов, то получается распределение четкости по всему
исследуемому объекту, т. е. фактически вид самого объекта.
Самыми распространенными в практике измерений можно
считать сканистор и фотодиодную матрицу на МОП транзисторах.
Эти приборы включают в себя большое количество р-n переходов,
составляющих матрицу или триодную структуру. Большое развитие
получили приборы с зарядовой связью, такие как фото - ПЗС, легко
сочетающиеся с микропроцессорами и имеющие скорость передачи
информации до 5-10 бит/с.
Полупроводниковая двумерная матрица (диодно-матричный
детектор) может содержать до нескольких сотен тысяч микродиодов
– диодных строчек (оптически активных элементов), которые
расположены на геометрических точных расстояниях на поверхности
кристалла интегральной схемы. Подобный датчик позволяет получать
все спектральные линии в диапазоне 180-800 нм. В англоязычной
аббревиатуре он обычно обозначается как CID - Charge Injection
Device (зарядо-воспринимающее устройство).
Достоинства:
–малые размеры и масса;
алая геометрическая погрешность;
–м
–высокая частота снятия размеров;
143
–малый дрейф;
–низкая чувствительность к механическому воздействию;
–большая продолжительность эксплуатации.
Характеристика фотодиодов и фототранзисторов. Входная
величина: освещенность, выходная - сопротивление.
Чувствительность: 30 мА/лм (фотодиод) и 130 мА/лм
(фототранзистор). Частотный диапазон: (0- 50).103 Гц (фотодиод), (0-
3).104 Гц (транзистор).
Преимущества: малая инерционность. Недостатки: большая
зависимость темнового тока от температуры; неблагоприятная
спектральная характеристика.
Если привести в контакт металл и полупроводник, то в области
такого контакта тоже образуется двойной электрический слой,
похожий по свойствам на p–n
- переход. Фотодиоды с таким
переходом известны под названием барьерных фотодиодов Шотки.
Суммарный шум фотодиодов состоит из дробового шума
темнового тока и фототока, а также из темнового шума
сопротивления. Дополнительный вклад в шум возникает у лавинных
фотодиодов, так как процесс размножения носителей заряда имеет
статистическую природу. Охлаждая фотодиоды, можно уменьшить
темновой ток.
Основным материалом для изготовления фотодиодов,
работающих в видимой и ближней инфракрасной областях спектра,
является кремний. При легировании кремний приобретает п- или рпроводимость. Высокоразвитая технология изготовления
полупроводниковых приборов на основе кремния позволяет получить
широкий спектр фотодиодов для различных областей применения с
разными характеристиками (спектральной чувствительностью,
временем нарастания импульса, темновым током, линейностью,
внутренним сопротивлением, площадью активной поверхности,
габаритами). Диоды на основе германия имеют более широкую
область спектральной чувствительности, хотя темновой ток и уровень
шумов существенно выше. В ближней инфракрасной области, кроме
того, применяются InGaAsP-детекторы. В табл. 7 перечислены другие,
144
наиболее часто используемые материалы для фотодиодов,
я область,
я область,
работающих в инфракрасной области.
Таблица 7 - Фотодиоды
Материал Спектральна
Т, К Материал Спектральна
Т, К
мкм
Si 0,4—1,1 295 InAs 0,6-3,2 77
Ge 0,5—1,8 295 InSb 0,6-5,6 77
InGaAsP 1 — 1,7 295 HgCdTe 2-15 77
InAs 1—3,7 295 PbSnTe 8-12 77
мкм
Возрастающее значение приобретают опто-электронные
элементы связи (оптроны), представляющие собой комбинацию
светоизлучающих диодов и фотодиодов. Эти элементы позволяют
гальванически развязывать цепи с большими разностями потенциалов,
что исключает ложные связи и помехи, возникающие при прямых
гальванических или трансформаторных соединениях. В оптронах
имеются также контуры управления, обеспечивающие линейность
характеристики.
Появление в начале 70-х годов ХХ столетия волокон с
чрезвычайно малым затуханием света привело к развитию оптических
передающих систем (световодов). Оптическая передающая система
состоит из трех основных элементов: 1)передатчика (лазера или
светодиода), который преобразует электрический ток в световое
излучение; 2)диэлектрического световода (стеклянного волокна);
риемника (фотодиода), который преобразует световой сигнал в
3)п
электрический. Стекловолоконные волноводы применимы не только
для передачи сигналов измерительной информации, но и как
первичные чувствительные элементы.
Фоторегистрация электромагнитного излучения и частиц.
Современные фотоэлектрические детекторы в сочетании с
электронной обработкой информации вытеснили и продолжают
вытеснять фотопластинки из многих областей применения. Тем не
менее, по универсальности и удобству фотографические методы
145
существенно превосходят все другие способы регистрации. Наиболее
важными преимуществами фотометода являются:
— двумерная (а в некоторых случаях и трехмерная)
регистрация падающего излучения;
— непрерывное накопление информации;
— большое пространственное разрешение. Специальные
фотографические эмульсии обладают разрешающей способностью
свыше 1000 линий/мм. Это соответствует информационной емкости
около 108 бит/см2;
— чувствительность как к электромагнитному излучению от
ИК - области до γ-лучей, так и к потокам частиц;
— несложная обработка;
— низкая стоимость.
С другой стороны, фоторегистрация обладает целым рядом
недостатков:
очернение фоточувствительного слоя зависит от
— п
обработки;
— кривая почернения нелинейна и может различаться для
разных пластинок, даже если они покрыты одинаковой эмульсией и
обработаны в одинаковых условиях;
– квантовый выход фоточувствительных слоев ниже, а
динамическая область уже, чем у фотоэлектрических детекторов;
— с помощью фотометода нельзя изучать зависимость
мощности излучения от времени;
— чтобы использовать информацию, накопленную в
фотографическом слое, для дальнейшей обработки, необходимо
проводить измерения почернения слоя с помощью микрофотометра
(денситометра) в отдельных точках.
Обычные фотографические эмульсии состоят из кристаллов
галогенидов серебра (главным образом - бромида серебра) в слое
желатина. Под воздействием падающего излучения зерна галогенида
серебра становятся чувствительными к последующему проявлению: в
фотографическом слое возникает невидимое (так называемое скрытое)
изображение. Химическое проявление в растворе с
восстановительными свойствами приводит к выделению
металлического серебра на центрах скрытого изображения: возникают
146
отдельные зерна серебра. Затем следует обработка в фиксирующем
растворе, при этом из фотослоя удаляется невосстановленный
галогенид серебра. Окончательная промывка удаляет остатки
растворимых химикатов. Таким образом, количество проявленных
зерен серебра на единицу площади зависит от экспозиции фотослоя
под действием света или потока частиц. В ряде специальных случаев,
особенно когда число проявленных зерен серебра невелико, их
подсчитывают под микроскопом. Однако обычно этого не делают, а
оценивают количество зерен серебра в данной точке фотослоя по
почернению, которое определяют как локальный коэффициент
пропускания Т небольшого элемента площади в лучах белого света.
Для этого пучок света пропускают через фотослой в нужном месте и
определяют отношение прошедшего потока Р излучения к падающему
Р0
Р/Р0
Т =
Мерой почернения фотослоя служит так называемая
оптическая плотность A, которая определяется как десятичный
логарифм величины, обратной коэффициенту пропускания:
A = -lgT = lg(Р0/ Р)
Экспозиция Н вычисляется как произведение освещенности Е
на продолжительность освещения (облучения) t:
Н = Et
Экспозиция измеряется в энергетических (Дж/м2) или
световых (лк-с) единицах. При сравнении кривых почернения для
излучения с разной длиной волны часто бывает удобно вычислять
экспозицию просто как число фотонов, приходящихся на единицу
площади (м-2). Для потока частиц это соответствует количеству частиц
одного сорта с одинаковой энергией. Однако когда речь идет о
частицах (или γ-лучах), вместо экспозиции обычно пользуются
величинами экспозиционной дозы, которая измеряется в единицах
Кл/кг.
Для каждого типа излучения существует своя зависимость
почернения фотоэмульсии от экспозиции - так называемая кривая
почернения (рис. 55). П
ри количественных измерениях она всегда
должна быть предварительно изучена. При определении
коэффициента пропускания учитывается все излучение, в то время как
147
прозрачность - это отношение потока излучения, прошедшего в среде
единичный путь без изменения направления, к потоку, вошедшему в
эту среду в виде параллельного пучка.
Рисунок 55 - Кривая
почернения для
фотографической
эмульсии
.
Постоянное почернение Ds в н
ачале кривой не зависит от
облучения. Оно определяется не только конечной прозрачностью
самой эмульсии, но и почернением, которое возникает при
проявлении неэкспонированного фотослоя. Это почернение называют
вуалью. В точке А на рис. 55 почернение начинает увеличиваться (в
видимой области спектра для восстановления зерна галогенида
серебра при проявлении необходимо воздействие примерно десяти
фотонов), а на участке АВ оно растет с экспозицией нелинейно.
Прямой участок кривой между точками В и С служит собственно
рабочим участком фотослоя. Начиная от точки С, кривая переходит в
область насыщения, рост почернения с экспозицией замедляется, а
затем прекращается совсем. При этой максимальной оптической
плотности практически весь галогенид серебра в эмульсии
восстанавливается до металлического серебра. При еще больших
экспозициях почернение вновь понижается: происходит так
называемая соляризация. Такое название появилось потому, что
соляризацию впервые наблюдали при фотосъемке Солнца.
Рентгеновские лучи вызывают соляризацию легче, чем световые.
Прямолинейная часть кривой почернения описывается
зависимостью
- Ds = γ(
D
lg{H}-lg{Hi})
148
lg{Hi} называется точкой инерции. Наклон прямолинейного участка
служит мерой достижимого контраста изображения. Его численная
величина γ называется коэффициентом контрастности данной
фотоэмульсии. Величина γ прежде всего зависит от
продолжительности проявления, а при увеличении времени
проявления она асимптотически стремится к пределу γ∞.
Чувствительность фотографического слоя определяют как
экспозицию, необходимую для того, чтобы добиться определенного
почернения (обычно, D = 0,1) фотослоя над уровнем вуали.
Другой важной характеристикой фотоматериалов является их
разрешающая способность. Она определяется максимальным числом
линий на миллиметр, которые еще воспринимаются отдельно друг от
друга и ограничена конечными размерами зерен фоточувствительного
слоя и рассеянием света в нем. Вся практика работы с
фотоматериалами подтверждает справедливость закона
взаимозаместимости, открытого в 1862 г. Бунзеном и Роско, для всех
фотохимических реакций. Этот закон гласит, что количество
возникающего продукта фотохимической реакции зависит только от
экспозиции и не зависит от того, за какое время была получена эта
экспозиция. Этот закон выполняется при экспозиции
фотографических слоев рентгеновскими и γ-лучами, а также
ускоренными частицами. При освещении светом видимого диапазона
наблюдаются небольшие отклонения от закона взаимозаместимости
(эффект Шварцшильда). Поэтому для получения количественных
данных целесообразно проводить съемки при одинаковой выдержке.
Отклонения от закона взаимозаместимости наблюдают в тех случаях,
когда яркость источника света велика, а выдержка мала. Это следует
учитывать при фотографировании быстропротекающих процессов.
Спектральные характеристики. Чувствительность
фотографического слоя зависит от длины волны падающего света.
Спектральную чувствительность s(λ) ф
отослоя определяют как
величину, обратную экспозиции Н(К) в узком интервале спектра,
которая дает определенное почернение фотослоя после его
проявления:
=1/H(
s(λ)
λ
), D= const
149
В справочниках часто приводят спектральные зависимости для
почернений D = 0,1 и D = 0,6 над уровнем вуали. Эмульсия, состоящая
только из желатина и галогенида серебра, имеет границу
светочувствительности в длинноволновой области спектра. Для AgCl
она лежит примерно возле 425 нм, для AgBr - при 480 нм, а для AgJ при 440 нм. Если к бромиду серебра добавить примерно 5 % иодида
серебра, то граница чувствительности смещается к 520 нм. В
коротковолновой части спектра светочувствительность ограничена
поглощением в слое желатина, которое резко возрастает, начиная с
250 нм.
Добавки органических красителей, которые адсорбируются на
зернах бромида серебра, поглощают свет с большей длиной волны.
Они могут отодвинуть границу светочувствительности
фотографической эмульсии. В этом случае принято говорить о
сенсибилизации фотоэмульсии. Ортохроматические фотоматериалы
сенсибилизированы до 600 нм, панхроматические — до 700 нм. У
наилучших фотоматериалов верхняя граница спектральной
чувствительности лежит около 1300 нм.
При работе в области ближнего и дальнего ультрафиолета
можно избежать понижения светочувствительности фотоматериалов
(из-за поглощения в желатине), если пользоваться специальными
фотопластинками, в которых очень мало или совсем нет желатина.
Обычные фотографические материалы можно сделать
чувствительными в ультрафиолетовой области, если нанести на них
тонкий слой флуоресцирующего вещества, который поглощает
ультрафиолетовое излучение и испускает видимое.
При дальнейшем увеличении энергии фотонов (уменьшении
длины волны падающего света) поглощение в желатине понижается, и
в рентгеновской области вновь можно пользоваться обычными
фотоматериалами, содержащими желатин. Поскольку уменьшается и
поглощение электромагнитных волн в самом фотографическом слое,
для рентгеновской съемки используют эмульсии с более высоким
содержанием бромида серебра, а фотослой наносят с двух сторон
фотопластинки или пленки. Высокая энергия квантов приводит к
тому, что каждый поглощенный квант «засвечивает» по меньшей мере
150
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]