7. Измерительные преобразователи светового потока. Фотоэлектрические измерительные преобразователи: фэу, фоторезисторы и фотодиоды.

Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь. Явление фотоэффекта было открыто русским ученным А.Г.Столетовым в 1888г.

Фотоэлектрические преобразователи или, как мы будем их называть в дальнейшем фотоэлементы делятся на три типа: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.

Рассмотрим отдельные типы фотоэлементов с точки зрения их характеристик и применения.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы).

Фоторезистор - полупроводниковый прибор, обладающий свойством изменять свое электрическое сопротивление под воздействием оптического излучения. Через фоторезистор, включенный в электрическую цепь, содержащую источник постоянного тока, протекает электрический ток.

При облучении фоторезистора ток увеличивается в результате появления фототока, который пропорционален уровню воздействующего сигнала и совсем не зависит от полярности приложенного к фоторезистору напряжения. Появление фототока в фоторезисторе используется для регистрации излучений.

Для изготовления фоторезисторов используют Se, Te, Ge (чистый либо легированный Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, CdS, CdSe, HgCdTe. Характерная особенность этих полупроводниковых материалов – малая ширина запрещенной зоны (например, у InSb она составляет 0,18 эв). Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку либо вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой фоторезистора ( пластинку ) снабжают двумя контактами ( электродами ). Подложку с фоточувствительным слоем и электроды фоторезистора помещают в защитный корпус.

Параметры фоторезистора: интегральная чувствительность, определяемая как отношение изменения напряжения на единицу мощности попадающего излучения при номинальном значении напряжения питания, составляет 103–108 в/вт; порог чувствительности, величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот, достигает 10-12 вт/гц 1/2 постоянная времени, характеризующая инерционность фоторезистора, лежит в пределах 10-3–10-8 сек.

Для повышения порога чувствительности и расширения рабочего диапазона длин волн принимаемого излучения фоточувствительный слой некоторых фоторезисторов подвергают охлаждению. Так, охлаждение фоторезистора из PbS до 78 К позволяет на порядок повысить пороговую чувствительность и расширить диапазон длин волн принимаемого излучения с 3,3 мкм до 5 мкм; с глубоким охлаждением (до 4 К) фоторезисторы из Ge, легированного Zn, доводят границу его спектральной чувствительности до 40 мкм.

Применения фоторезисторов

1. Пожарные датчики открытого пламени, помехоустойчивы к естественному и искусственному освещению.

2. Пожарные датчики для обнаружения дыма, промышленные и квартирные, с высокой помехоустойчивостью к оптическим и электромагнитным помехам.

3. Датчики пересечения ИК-луча, для охранной сигнализации и промышленности с высокой помехоустойчивостью к оптическим помехам.

4. Датчики качества и контроля непрерывности горения газовых факелов в промышленных котлах, крупных энергетических и технологических установках.

5. Датчики контроля загрязнения воды для систем удаления шлама при водоподготовке на теплоэлектростанциях.

6. Приборы для измерения длины металлического проката на различных скоростях до 10 м/сек с высокой точностью до 0.04 м при длине до 10 м.

7. Измерители мощности импульсных ультрафиолетовых лазеров, фотоприемники для измерения распределения энергии по сечению пучка ультрафиолетового лазера.

8. Устройства для фотоприборов, измеряющих концентрацию сахара в жидкостях, и измеряющих влажность по отраженому свету от поверхности объекта.

9. Устройства и фоторезисторы для многоспектрального параллельного оптического анализа в цветной металлургии, геологии, для аэрокосмонавтики, и в других высокотехнологичных областях для научных исследований и контроля промышленных процессов.

Фотогальванические преобразователи (фотодиоды и фототранзисторы).

Фотодиод, полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл обычно с электронно-дырочным переходом (р–n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус. Материалами, из которых выполняют Фотодиоды, служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и др.

Различают 2 режима работы Фотодиода: фотодиодный, когда во внешней цепи Фотодиода содержится источник постоянного тока, создающий на р–n-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме Фотодиод, как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи Фотодиода в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через р–n-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в Фотодиоде в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме Фотодиод, как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс.

Основные параметры Фотодиода:

1) порог чувствительности (величина минимального сигнала, регистрируемого Фотодиодом, отнесённая к единице полосы рабочих частот), достигает 10-14 вт/гц1/2;

2) уровень шумов – не свыше 10-9 а;

3) область спектральной чувствительности лежит в пределах 0,3–15 мкм;

4) спектральная чувствительность (отношение фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны) составляет 0,5–1 а/вт;

5) инерционность (время установления фототока) порядка 10-7–10-8 сек.

В лавинном Фотодиоде, представляющем собой разновидность Фотодиодов с р–n-cтруктурой, для увеличения чувствительности используют т. н. лавинное умножение тока в р–n-переходе, основанное на ударной ионизации атомов в области перехода фотоэлектронами. При этом коэффициент лавинного умножения составляет 102–104. Существуют также Фотодиоды с р–i–n-cтруктурой, близкие по своим характеристикам к Фотодиоды с р–n-cтруктурой; по сравнению с последними они обладают значительно меньшей инерционностью (до 10-10 сек).

Фотодиоды находят применение в устройствах автоматики, лазерной техники, вычислительной техники, измерительной техники и т.п.

Структурная схема фотодиода. 1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы; Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; R_H — нагрузка.

Фототранзистор – полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большим числом p-n переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока.

Фототранзистор, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические. Однако в фототранзисторах наличие второго p-n перехода увеличивает собственные шумы. Их чувствительность почти в два раза выше, чем у фотодиодов, и они обладают электрической и технологической совместимостью с интегральными схемами.

- Оптопара с составным транзистором.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 105 раз и выше). Впервые был предложен и разработан советским изобретателем Л. А. Кубецким в 1930—1934 гг.

Конструкция:

Фотоэлектронный умножитель состоит из входной (катодной) камеры (образуется поверхностями фотокатода, фокусирующих электродов, первого динода), умножительной динодной системы, анода и дополнительных электродов. Все элементы размещаются в вакуумном корпусе (баллоне).

Наиболее распространены ФЭУ, в которых усиление потока электронов осуществляется при помощи нескольких специальных электродов изогнутой формы — «динодов», обладающих коэффициентом вторичной эмиссии больше 1. Для фокусировки и ускорения электронов на анод и диноды подаётся высокое напряжение (600—3000 В). Иногда также применяется магнитная фокусировка, либо фокусировка в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Существуют фотоэлектронные умножители с полупроводниковыми умножающими элементами (гибридные), принцип действия которых основан на явлении ионизации атомов полупроводника при его бомбардировке электронами.

Схема ФЭУ с присоединённым сцинтиллятором

В зависимости от конструкции динодной системы ФЭУ разделяются на:

- системы на дискретных динодах с электростатической фокусировкой электронных пучков (наиболее часто используемые диноды коробчатые, ковшеобразной и тороидальной формы),

- системы на дискретных динодах сквозного типа (динодами являются сетки, жалюзи, плёнки),

- системы на распределённых динодах (пластинчатые, щелевые и трубчатые).

Основные параметры:

- Световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов), составляет 1—104 А/лм

- Спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы, лежащий обычно в пределах 10³—108) (до 1011)[1];

- Темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока), как правило, не превышает 10−9—10−10 А.

Применение:

- Спектрометрия — сцинтилляционные счётчики;

- Ядерная физика — в установках для изучения кратковременных процессов (временные ФЭУ);

- Оптика, телевидение, лазерная техника.

- Хемилюминесценция.

- Физика элементарных частиц - для регистрации нейтрино (Проекты "Полтергейст", AMANDA).