1.3 Фотодиоды

Фотодиод - фоточувствительный полупроводниковый диод с p-n переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом). При освещении p-n перехода в нем возникают электронно-дырочные пары. Направление тока этих носителей совпадает с направлением обратного тока перехода.

Фотодиоды используют в фотодиодном и фотогальваническом режимах. В первом диод смещается в обратном направлении и фототок является функцией освещенности. Во втором режиме прибор работает в режиме генерации фототока или фото-ЭДС . По сравнению с фотогальваническим, фотодиодный режим обладает рядом достоинств: пониженной инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части оптического спектра, широким

динамическим диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого режима - наличие шумового тока, протекающего через нагрузку. В ряде случаев при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприемника, фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный.

Основные параметры фотодиодов - токовая чувствительность Si, постоянная времени нарастания и спада фототока (или граничная частота модуляции светового потока), рабочая длина волны или рабочий интервал длины волны. Кроме того приборы характеризуются номинальным рабочим напряжением .

Статическую интегральную токовую чувствительность при монохроматическом световом потоке или мощности излучения определяют отношения :

где Iф - фототок; Ф - световой поток, Р - мощность излучения.

При работе прибора в фотодиодном режиме, удобно использовать понятие интегральной вольтовой чувствительности:

где - изменение выходного напряжения; Rн - сопротивление нагрузки.

Постоянные времени нарастания и спада фототока - интервалы времени, в течение которых фототок изменяется в е раз от установившегося значения при Ф=const после включения или выключения светового потока. Эти параметры характеризуют инерционность приборов.

Быстродействие определяется граничной частотой , соответствующей максимальной частоте модуляции светового потока, на которой статическая чувствительность уменьшается до уровня 0,707 от чувствительности на низкой частоте модуляции.

Фотодиоды - малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от временных характеристик процесса фото- генерации носителей, условий разделения электронно-дырочных пар, емкости p-n перехода, а также сопротивления нагрузки.

1.4 Фототранзисторы

Фототранзистор - фоточувствительный полупроводниковый приемник излучения, по структуре подобный транзистору (биполярному, полевому) и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала.

В корпусе прибора предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает на одну из областей транзистора. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный - открыт. База может быть отключенной.

При отключенной базе общий ток коллектора представляет собой сумму фототока базы и тока инжектированных эмиттером носителей, прошедших коллекторный переход. Коэффициент усиления фототока М=+1 (если Rn0), где - статический коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером. При этом на сопротивлении нагрузки создается падение напряжения . Из этого соотношения видно, что фототранзистор можно представить в виде эквивалентного фотодиода, включенного параллельно коллекторному переходу транзистора, обладающего только усилительными свойствами. Таким образом, транзистор повышает чувствительность эквивалентного фотодиода в (+1) раз.

Схемы включения фотопреобразователей на основе операционных усилителей ОУ

Схемы подключения фотодиодов на основе операционных усилителей ОУ в фотодиодном режиме приведены на рис. 1.3. Аналогичные схемы подключения фоторезисторов в фотогальваническом режиме приведены на рис. 1.4.

Рис.1.3

Рис.1.4

Фототранзистор обычно включают так же, как и фотодиод, для работы в режиме с "плавающей базой" (вывод базы свободен), но при этом обеспечивают большую чувствительность. Германиевые фототранзисторы, имеющие вывод базы, могут быть включены подобно обычным транзисторам. Вариант схемы подключения ФТ к ОУ показан на рис.1.5.

Рис.1.5

2. Порядок выполнения работы

2.1 Изучить основные свойства, характеристики и схемы включения применяемых

фоточувствительных приемников.

2.2. 1 Определить спектральные характеристики используемых фотоприемников.

2.2. 2 Определить коэффициент поглощения оптического излучения биотканью.

2.2. 3 Определить инерционность используемых фотоприемников.

Эксперимент реализован на основе виртуальных приборов Lab6.vi пакета LabVIEW.

Программа должна быть включена в режиме циклического (длительного) исполнения.

Подключение одного из фотоприемников осуществляется переключателем на входе ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ «фоторезистор- фотодиод».

Включение светодиодов выполняется переключателем «СВЕТОДИОДЫ».

Статические характеристики фотоприемников измеряются с помощью ВОЛЬТМЕТРА, а динамические – с помощью осциллографа.

2.3 Включить программу.

2.4 Установить имитатор биоткани в положение «ВЫКЛ» и выключить

ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР.

2.5 Подключить к ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЮ фоторезистор.

2.6 Последовательно включая светодиоды, зафиксировать показания вольтметра.

Определить относительную спектральную чувствительность фоторезистора для

используемого набора световых волн.

2.7 Выполнить аналогичные измерения и для фотодиодА.

2.8 Для заданной преподавателем толщины биоткани, определить степень

поглощения света биотканью для различных излучений.

При самостоятельном выполнении лабораторной работы, необходимо значение толщины биоткани определить из соотношения:

h = (5 + nn) =19 мм,

где nn=14 – две последние цифры шифра зачетной книжки студента.

2.2 Определить время установления фоторезистора и фотодиода.

2.2.1 Подключить к ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЮ фоторезистор.

2.2.2 Включить ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР.

2.2.3 Установить частоту генератора не более 10 Гц

2.2.4 Определить время установления по осциллографическому индикатору.

2.2.5 Выполнить аналогичные измерения и для фотодиодА (в этом случае

необходимо установить частоту несколько десятков Гц и увеличить

разрешающую способность осциллографического индикатора по оси времени

–нажатием кнопки «увеличение» с последующими процедурами,

выполняемыми указателем на экране индикатора).

2.3 Оформить отчет о проделанной работе.