3.13 Световое излучение

Световое излучение — очень эффективная форма энергии, по изменению которой можно судить о многих внешних воздействиях расстоянии, движении, температуры, химическом составе и т.д. Свет имеет электромагнитную природу Его можно рассматривать, как распространение энергии квантов или электромагнитных волн Разным зонам спектра даны свои определенные названия УФ излучение, видимый свет, дальний, средний и ближний ИК диапазоны излучений, микроволны, радиоволны и т.д. Название «свет» соответствует электромагнитному излучению с длинами волн в диапазоне 0 1 100 мкм. Излучение с длиной волны, меньшей длины самой короткой волны видимого диапазона (фиолетовой), получило название ультрафиолетового, а, большей самой длиной волны света (красной), — инфракрасного. Инфракрасный диапазон, в свою очередь, разделен еще на три поддиапазона ближнего (0.915 мкм), среднего (15.4 мкм) и дальнего (4.100 мкм) ИК излучении.

Скорость света в вакууме с₀ не зависит от длины волны и может быть выражена через магнитную постоянную свободного пространства μ₀=4π×10 ⁷Гн/м и его электрическую постоянную е₀=8 854×10¹²Ф/м

(3.145)

Частота световых волн в вакууме или любой другой среде связана с их длиной волны уравнением (3 128), которое можно переписать в виде

(3.146)

где с — скорость света в среде

Энергия фотона связана с его частотой

E = hv, (3.147)

где А = 6.63×10³⁴ Дж с или 4.13×10¹⁵ эВ с называется постоянной Планка Энергия Е измеряется в электрон вольтах (эВ) 1 эВ= 1.602×10¹⁹Дж.

4 Преобразователи светового излучения: конструкции,классификация, свойства

4.1 Принцип действия и основные типы преобразователей

Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона

где v — частота света; h — постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота

называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны λ_гр = c/v_гр где с - скорость света, — длинноволновым порогом фотоэффекта. Если λ > λ_гр то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.

Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое заполнение. Благодаря ионизации газа происходит усиление тока фотоэмиссии. Чувствительность газонаполненных фотоэлектрических преобразователей выше, чем у вакуумных.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 1.

Рис. 1 Принципиальная схема ФЭУ

Свет падает на фотокатод ФК, который эмитирует электроны. Поток электронов фокусируется электрическим полем, создаваемым электродом Э, формируется диафрагмой Д и направляется на ускоряющий электрод— динод Э₁. Напряжение на диноде таково, чтобы энергии фотоэлектрона было достаточно для вторичной эмиссии электронов. Режим работы таков, что при вторичной эмиссии испускается больше электронов, чем падает на динод. Так происходит усиление потока электронов. Поток электронов, усиленный динодом Э_1; направляется на следующие диноды Э₂ —Э₅, усиливается и собирается анодом А. Анодный ток ФЭУ довольно мал и требует дополнительного усиления. Для этого он преобразуется в напряжение с помощью сопротивления R_H. Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения R₁ —R₈ Фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность и используются для измерения очень малых световых потоков (до 10^-5 лк).

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэффектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых λгр = 2,7 мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

где I_ф — фототок; U — напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения:

где R_T — темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя; R₂₀₀ - сопротивление при Е = 200 лк.

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Главным достоинством фоторезисторов является простота их устройства и низкая стоимость, главным недостатком - заметная инерционность (по сравнению с другими фотоэлектрическими преобразователями) и температурная (для уменьшения температурной погрешности они включаются в смежные плечи моста) и временная нестабильность. Вариантыконструктивного выполнения фоторезисторов - герметизированный металлостеклянный корпус, пластмассовый корпус, бескорпусное исполнение.

Фотогальванические преобразователи представляют собой фотоэлектронные приборы с p-n-переходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освещении перехода создается дополнительная концентрация носителей в п-слое. Это приводит к усилению их диффузии к р-n -переходу и в самом переходе.

Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном (вентильном) режимах. В фотодиодном режиме преобразователь подключают к запирающему напряжению (рис. 2а), При увеличении его освещенности возрастает обратный ток, что приводит к увеличению напряжения U_н на сопротивлении R_H. Зависимость тока фотодиода от освещенности практически линейна. Внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода имеет величину порядка мегаомов, поэтому обычно они работают в режиме, близком к короткому замыканию.

В генераторном режиме фотодиод включают по схеме, приведенной на рис. 2 б, и он сам является источником тока.

(А) (Б)

Рис. 2. Режимы работы фотодиодов.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.

Структура и конструкция фотодиода представлена на рис. 3 Существуют важные разновидности фотодиодов: p-i-n диоды - а, лавинные - б, гетерофотодиоды - в (рис. 4).

В p-i-n имеются три области - сильнолегированная п⁺-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.

Лавинные фотодиоды на основе кремния обладают внутренним уси-лением до 10 , высокой чувствительностью до 1 А/Вт на длине волны λ= 0,9 мкм, малой инерционностью - до 0,5 нc, низким порогом - до 10^-15Вт/Гц^1/2.

Рис.4 Структура P-I-N (а), лавинного (б) и гетерофотодиода (в)

Биполярный фототранзистор имеет два р-n перехода.

Фотовоспринимающей частью является освещаемая часть перехода база - коллектор (рис. 5). Следует только иметь в виду, что во столько же раз, во 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.

Структура полевого фототранзистора представлена на рис.6. Такие транзисторы характеризуются высоким входным сопротивлением (до-10 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 фототранзисторами. Фототранзисторы имеют металлостеклянный корпус с входным окном базы.

B 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.