2.2. Фоторезисторы

Фоторезистор (ФР) — это фотоприемник, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости — свойстве вещества изменять свою электропроводность под действием оптического излучения. ФР изготавливают из полупроводников с собственной фотопроводимостью, обусловленной генерацией пар: электрон проводимости — дырка проводимости, и с примесной фотопроводимостью, обусловленной ионизацией атомов донорной или акцепторной примесей, возникающей под действием оптического излучения.

ФР неполярны и одинаково проводят электрический ток в любом направлении, что позволяет их включать в цепи постоянного и переменного тока, Наибольшее распространение получили ФР с собственной фотопроводимостью, так как они не требуют охлаждения.

Пути увеличения фотопроводимости ФР при поглощении потока излучения следующие (рис. 2.1):

переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости (увеличивается собственная проводимость, рис. 2.1, а);

переходы электронов с примесных донорных уровней в запрещенной зоне в зону проводимости (увеличивается электронная проводимость, рис. 2.1, б);

переходы электронов из валентной зоны на акцепторный уровень (увеличивается дырочная проводимость, рис. 2.1, в);

Рассмотрим явления фотопроводимости на примере собственного полу­проводника с малой толщиной Н (в см), много меньшей 1/а(), где а() — спектральный показатель поглощения, см^-1. В этом случае при его осве­щении происходит равномерная генерация неравновесных носителей заряда ∆n и ∆р в 1/см³ по всей толщине полупроводника по отношению к равно­весной концентрации электронов n₀ в 1/см³ и дырок р₀ в 1/см³ в неосвещенном полупроводнике. Если пренебречь действием ловушек, то можно считать, что ∆n = ∆р = ∆n. Общая концентрация носителей в собственном полупро­воднике будет:

n = n₀+∆n; р = р₀+∆р.

Постоянная времени и частотная характеристика ФР. При освещении ФР на основе собственной проводимости генерируются электроны и дырки, и их концентрация растет по закону [10]

d(∆n)/dt=g=a() n() N_E,λ , (2.3)

где g — объемная скорость генерации, носителей/(см^3.с); n() — квантовый выход полупроводника, квант^-1 ; N_E,λ — облученность ФР, квант/(см^2.с). По мере увеличения числа носителей в зоне проводимости растет вероят­ность их рекомбинации, и при равномерном во времени освещении через некоторое время второй процесс уравновешивает первый. Тогда уравне­ние (2.3) примет вид:

d(∆n)/dt=g — ∆n/τ, (2.4)

где τ — среднее время жизни носителя, с.

После решения уравнения (2.4) с начальными условиями t = 0, ∆n = 0 получим

∆n = gτ(1—e^-t/τ), (2.5)

где gτ = ∆n_y — установившаяся концентрация носителей при равномерном во времени освещении, когда d(∆n)/dt=0. Общая концентрация носителей

n = n₀+ gτ (1— e^-t/τ). (2.6)

Из уравнения (2.5) видно, что ∆n асимптотически приближается к своему установившемуся значению ∆n_y, поэтому τ — это время релаксации для фотопроводимости.

Если ФР затемнить, то генерация носителей прекратится, и уравнение (2.4) примет вид

d(∆n)/dt = —∆n /τ , (2.7)

откуда после решения с начальными условиями t = 0, ∆n_y = gx получим

∆n = gτe^-t/τ (2.8)

или

n = n₀+ gτe^-t/τ. (2.9)

Рассмотренные выражения аналогичны и для дырок в собственном полу­проводнике.

В случае линейной рекомбинации постоянные времени нарастания τ_н и спада τ_сп равны времени жизни носителей τ в собственном полупроводнике. У при­месных полупроводников при большой концентрации рекомбинационных лову­шек τ_н = τ_сп, а при малой концентрации — рекомбинация пропорциональна ква­драту концентрации носителей и τ_н ≠ τ_сп. Следует также отмстить, что τ_н и τ_сп и стационарное значение фотопроводимости зависят от потока излучения, падающего на фоторезистор, и его температуры. Увеличение освещённости ФР приводит к возрастанию числа свободных носителей, а при их увеличении возрастает и их рекомбинация; что вызывает, ускорение процесса нарастания и спада фотопроводимости, т. е. уменьшение τ_н и τ_сп. Степень уменьшения τ_н больше степени уменьшения τ_сп. Этот процесс в начале зависимости идёт быстро, а затем замедляется (рис. 2.2). Чаще всего τ_н и τ_сп измеряют при освещенности 200 лк.

Увеличение температуры вызывает повышение скорости рекомбинации, т. е. уменьшение τ_н и τ_сп и, наоборот,— охлаждение увеличивает τ_н и τ_сп [11].

На постоянную времени нарастания ФР влияёт выдержка его в темноте. При длительной выдержке ФР в темноте τ_н увеличивается в три-четыре раза.

На рис. 2.3, б приведены частотные характеристики некоторых ФР, кото­рые также обусловливают их инерционность.

Рис. 2.2. Зависимость, постоянной времени ФР от освещенности:

1— τ_сп; 2— τ_н для СФЗ – 1; 3— τ_н ; 4— τ_сп для ФСК – 4А

Рис. 2.3. Вольт–амперная (а), частотная (б) и зависимость сопротивления от потока излу­чения, (в) для ФР

Фототок, спектральная характеристика чувствительности и шумы ФР.

В освещенном состоянии удельная проводимость фоторезистора [4]

σ = e[(n₀+∆n)]u_e+[( р₀+∆р)u_h] = e[(n₀ u_e+ р₀ u_h)+( ∆n u_e+∆р u_h)] = σ₀+ ∆σ,

(2.10)

где е = 1,6^.10^-19 А^.с — заряд электрона; и_е и u_h — подвижности электронов и дырок, см²/(В^.с); σ₀ — собственная темновая удельная проводимость ФР, Ом^-1.см^-1; ∆σ — приращение удельной проводимости ФР при освещении, Ом^{-1 .} см^-1. Если ФР имеет толщину H, длину l и ширину d, то суммарный ток через него при приложении внешнего напряжения

(2.11)

где G — общая проводимость ФР, Ом^-1 ; — темповой ток ФР, А; — фототок ФР, А.

Темновой ток ФР определяет уровень его собственных шумов, а следо­вательно, его пороговый поток и обнаружительную способность, поэтому его стремятся уменьшить за счет уменьшения d и Н или σ₀ — при охлаждении. Фототок короткого замыкания в установившемся режиме для собственного полупроводника при ∆n_y = ∆р_у = gτ с учетом выражений (2.3) — (2.11)

Имея в виду, что v = c/, Ф_e,λ= dlhv, получим

(2.12)

откуда монохроматическая токовая чувствительность ФР на основе собствен­ной проводимости

(2.13)

В выражениях (2.12) и (2.13) фигурные скобки содержат параметры, определяющие монохроматическую чувствительность ФР, а квадратные — физические параметры полупроводника. Из выражений видно, что фототок и монохроматическая чувствительность ФР пропорциональны толщине Н и обратно пропорциональны квадрату его длины l². Данное выражение спра­ведливо при малом монохроматическом потоке, когда ∆n n₀ и приращение удельной проводимости ФР пропорционально .

В реальных ФР на основе собственных полупроводников Н > 1/а(λ) и скорость генерации носителей изменяется по толщине фотоприемника экспоненциально. Почти все носители генерируются в тонком поверхностном слое, а далее происходит диффузия носителей с данного слоя в глубь пластинки. Это видоизменяет выражения (2.12), (2.13), что следует учитывать при точных расчетах [4].

Таким образом, спектральная чувствительность ФР зависит от материала чувствительного слоя и охлаждения. Она изменяется от 0,3 до 40 мкм (рис. 2.4). Абсолютная спектральная чувствительность неохлаждаемых ФР при понижении температуры повышается, так как уменьшается тепловая генерация носителей тока.

Световая характеристика фототока ФР (Ф) и его люкс - омическая харак­теристика R(E) как правило, нелинейны. Характер их изменения зависит в сильной степени от примесей.

Вольт - амперные характеристики ФР — I(V) при Ф = const линейны в ши­роких пределах (см. рис. 2.3, а). Нелинейность вольт-амперной характери­стики наблюдается в ФР на основе CdS и CdSe при нагреве чувствитель­ного слоя при больших освещенностях.

ФР присущи токовый, генерационно - рекомбинационный, тепловой и радиа­ционный шумы. На рис. 1.4, б показан спектр шума ФР.

Эксплуатационные параметры и относительное изменение сопротивле­ния ФР. Каждому типу ФР соответствуют максимально допустимая электри­ческая мощность рассеивания P_фpmax и максимальное напряжение питания V_фpmax . Напряжение питания цепи ФР — нагрузка для заданного и паспорте V_фpmax — не должно превышать [10]:

V ≤ V_фpmax (R_н / R_ф+1)

Рис. 2.4. Относительные спектральные характеристики, чувствительности некоторых ФР: 1 — напыленный CdS (295 К); 2 — ФСК-M1 (CdS при 295 К); 3 — ФСД (CdSe при 295 К); 4 - моно­кристалл р-типа из Ge:Au при 77 К; 5 — ФСА (PbS при 295 К); 6 — PbSe (295 К); 7 — монокристалл п-типа из InAs при 295 К; 8 — монокристалл из InSb при 295 К; 9 — Ge:Hg (30 К); 10 — Ge:Zn: Sb (53 К); 11 — Ge:Cd (4.2 К); 12 — Ge:Cu (4,2 К); 13 — Ge:Zn (4,2 К)

а для заданных V_фpmax и Р_фрmах

V ≤ ( Р_фрmах /V_фpmax) [(R_н / R_ф+1) R_ф].

Кроме общепринятых параметров чувствительность ФР иногда характе­ризуют относительным изменением его сопротивления S_R, не зависящим от схемы включения [54, 55]:

S_R = ∆R_ф / (R_ф ∆Ф), (2.14)

где R_ф — сопротивление фоторезистора при потоке Ф; ∆R_ф — изменение сопротивления ФР при приращении потока на ∆Ф; S_R — в 1/Вт.

На рис. 2.3, в приведена кривая изменения сопротивления R_ф ФР от потока излучения, которую можно аппроксимировать на участке 1 выраже­нием R_ф = R_τ — k ∆Ф; на участке 2 — R_ф = R_τ + B/Ф; на участке 3 — R_ф = const, где k и В — некоторые постоянные коэффициенты, характеризующие крутизну кривой; R_τ — темновое сопротивление ФР.

При работе ФР на участке 1 ∆R_ф = k ∆Ф. Подставляя это значение в выра­жение (2.14), получим при R_ф = R_τ

S_R=k ∆Ф/( R_τ ∆Ф) = k / R_τ .

Схемы включения фоторезисторов, выбор нагрузки, максимальная вольто­вая чувствительность. Схемы включения ФР разнообразны, но можно выде­лить основные: схему деления напряжения (рис. 2.5, а), мостовую (рис. 2.5, б—г) у дифференциальную (рис. 2.5, д), трансформаторную (рис. 2.5, е) и импульсную (рис. 2.5, ж). Схема деления напряжения, в кото­рой ФР — одно из плеч делителя напряжения, используется для непосред­ственного отсчета сигнала (рис. 2.5, а). Определим значение сопротивления нагрузки в этой схеме при максимальной вольтовой чувствительности ФР S_Vmax и заполнении потоком излучения всей фоточувствительной площадки ФР. При отсутствии освещения R_ф = R_τ и темновой ток = V_н /( R_н + R_τ), где V_н — напряжение питания.

При наличии освещения ФР

= V_н /(R_τ – ∆R_ф +R_н).

Рис. 2.5. Схемы включения ФР

Приращение падения напряжения на нагрузке

При малой освещенности , поэтому

.

В данном случае вольтовая чувствительность

.

Для определения S_Vmax продифференцируем полученное выражение по и приравняем его к нулю для нахождения экстремума функции:

.

Отсюда получаем условие выбора при S_Vmax: + R_н —2R_h = 0 или

= . При = максимум выходного сигнала на нагрузке

,

а выражение для максимальной вольтовой чувствительности ФР будет:

= =

В общем случае для более точного согласования приемника с усили­телем надо рассматривать активное и реактивное сопротивления ФР. Токо­вая чувствительность ФР представляет собой функцию напряжения питания:

S_I = ∆I /∆Ф = / ∆Ф = ( R_ф − R_τ) / ∆Ф = ( ∆Ф) [1/(R_τ−∆R) −1/ R_τ] = ∆R / [∆Ф R_τ (R_τ−∆R)].

При наличии фоновой засветки Ф_ф сопротивление нагрузки следует выби­рать с учетом фона, т. е. = Тогда относительная вольтовая чувстви­тельность

/(R_ф ∆Ф) = ∆Ф R_τ / [(R_τ− ∆Ф)] ∆Ф R_τ | = /(1 − Ф_ф),

где — сопротивление ФР при наличии фона. Вольтовая чувствительность по аналогии с выражением для

S_VФ = R_н /

Характер изменения вольтовой чувствительности ФР при наличии фона получим, разделив S_VФ на :

S_VФ / / = (1/[1 – S_R Ф_ф /]),

откуда

S_VФ = (1/[1 – S_R Ф_ф /]).

Эта зависимость показывает, что с увеличением постоянной засветки на линейном участке изменения сопротивления ФР вольтовая чувствительность растет. Однако пороговый поток также резко увеличивается из-за возрастаю­щих шумов фоновой засветки, что приводит к уменьшению обнаружительной способности ФР.

Мостовые схемы включения фотоприемников, в частности и ФР, полу­чили широкое распространение в измерительной технике, рис. 2.5, б — г, ж [22]. Их используют для непосредственного отсчета и как схемы сравнения. В неосвещенном состоянии ФР мост должен быть уравновешен с учетом постоянной фоновой засветки. При подаче измеряемого потока излучения от объекта наблюдения на ФР через диагональ моста потечет фототок, пропорциональный освещенности ФР. Фототок (или напряжение на нагрузке) можно измерить непосредственно в диагонали моста или изменением одного из сопротивлений схемы добиться нового равновесия моста, а о значении потока излучения судить по разности сопротивлений в начале и в конце измерения, что дает более высокую точность по сравнению с непосредствен­ным измерением.

Мостовая схема позволяет измерять малые сигналы от объекта при наличии относительно большого фона. При этом в диагональ моста вклю­чают высокочувствительные измерительные приборы, что недопустимо при прямых измерениях из-за большого начального тока, обусловленного фоно­вой засветкой.

Определим изменение сопротивления в одном из плеч моста при изме­рении потока излучения, падающего на ФР, методом уравновешивания моста при работе на линейном участке энергетической характеристики ФР по схеме (рис. 2.5, б). При этом можно считать S_инт в статическом режиме равной S_инт.д — в динамическом режиме.

Условие равновесия моста

R_ФR₂ = R₁R₃,

где R_Ф = V_Ф / I_ф.ф — статическое сопротивление ФР при падении потока излу­чения фона Ф_ф, вызывающего фототок ФР I_ф.ф = S_IД Ф_ф. При подаче модули­рованного потока излучения с амплитудой Ф_mах сопротивление приемника

R’_Ф = V_Ф /( I_ф.ф + S_IД Ф_mах) = 1/(1/R_Ф + S_IД Ф_mах / V_Ф).

Приращение сопротивления

∆R_Ф = R_Ф − R’_Ф = R_Ф – . (2.15)

Компенсировать ∆R_Ф можно изменением R₃ (соотношение плеч) или R₂ (произведение плеч)

∆ R₃ = ∆R_Ф ,

При пренебрегаем единицей в знаменателе и тогда

∆R₃ = ,

т. е. при малых потоках измерительная шкала будет линейной — ∆R₃ = f () — при соответствующем одном значении потока излучения фона Ф_ф, так как R_Ф = V_Ф /( S_IД Ф_ф), что крайне неудобно. При уравновешивании моста сопротивлением R₂ получим

.

(2.16)

Так как для малых потоков

,

то выражение (2.16) получим в виде:

. (2.17)

Из выражения (2.17) следует, что измерительная шкала ∆R = f () при малых потоках линейна и градуировка шкалы не зависит от потока излучения фона, как в предыдущем случае, что очень выгодно.

Сделанные выводы справедливы при = const, что характерно для фото­диодов и фотоэлементов. У ФР из-за нелинейности энергетической характе­ристики ≠ const, и градуировка шкалы для данной схемы (рис. 2.5, б) зависит от потока излучения фона. Фототок (или напряжение на ) в диаго­нали моста при непосредственном его измерении после подачи излучения объекта

. (2.18)

Мост должен быть предварительно сбалансирован по излучению фона. При небольших изменениях сопротивления и малых потоках излучения знаменатель выражения (2.18) можно считать приближенно поcтоянным, тогда

,

где k — коэффициент пропорциональности, В/Ом³.

Если , то

Напряжение на с учетом выражения (2.15)

,

или для :

. (2.19)

Из полученного выражения (2.19) также следует, что градуировка шкалы зависит от потока излучения фона, а функция f () при малых пото­ках излучения линейна.

Для устранения зависимости градуировки измерительной шкалы от потока излучения фона включают в разные плечи моста одновременно два ФР (рис. 2.5, в, г). В этом случае возможно освещение одного ФР только излуче­нием фона (ФР играет роль сопротивления, которое зависит от фона), а вто­рого — излучением фона и объекта вместе. Если же оба ФР освещать одновременно излучением фона и объекта, то излучение объекта должно поступать на оба ФР в противофазе, что дает двойное увеличение чувстви­тельности схемы. Если параметры и характеристики обоих ФР остаются одинаковыми при изменении фона, равновесие моста не нарушается, и ток в диагонали моста равен нулю.

Разбалансировка моста, которую и измеряют, появляется только при наличии излучения объекта наблюдения.

При включении ФР в противоположные плечи моста (рис. 2.5, г) увели­чения чувствительности схемы не происходит, и излучение объекта должно падать на ФР в фазе.

Действие потока фона на ФР компенсируется в дифференциальной схеме (рис. 2.5, д) с неизменным питающим напряжением каждого контура. Дифференциальная схема используется как непосредственная, а также как схема сравнения. В дифференциальной схеме фототоки от фона текут в противо­положных направлениях от обоих ФР, и суммарный ток от фона равен нулю. Фототок в возникает от излучения объекта, которое падает на один ФР или на оба в противофазе.

При использовании трансформаторной схемы включения ФР (рис. 2.5, е) получают определенный выигрыш в чувствительности по напряжению за счет того, что к ФР подводят почти все напряжение источника питания (за исключением небольшого падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки). Сопротивление разобщено с цепью питания ФР, и его изменение не сказывается на режиме работы ФР.

Кроме того, постоян­ный фототок от фона не дает падения напряжения на , а оно возни­кает при наличии модулированного излучения объекта.

Кроме схем, питаемых постоянным напряжением, рассмотренных выше, применяют схемы питания на переменном или импульсном напряжении. На рис. 2.5, ж приведена схема питания моста от сети переменного тока с удвоен­ной частотой. Она имеет емкостные сопротивления в плечах моста. Схема должна работать таким образом, чтобы в выходном сигнале отсутствовала составляющая фона, изменяющаяся с удвоенной частотой сети. Иногда мост питают переменным напряжением с частотой до тысячи герц, и сигнал усили­вается на частоте питающего напряжения, а затем после детектирования на частоте модуляции потока излучения объекта.

Схемы замещения ФР при частичном его освещении. Ранее работа ФР рассматривалась при условии, что его фоточувствительная площадка пол­ностью освещалась потоком излучения и проводимость (сопротивление) ее изменялась равномерно. Зачастую фоточувствительная площадка ФР осве­щается точечным или протяженным объектом не полностью, и сопротивле­ние неосвещенной части сохраняется значительным. Это необходимо учиты­вать при согласовании ФР с электронной схемой регистрации и расчете постоянной времени схемной релаксации τ_р. Рассмотрим влияние затемнен­ного и освещенного участков ФР на его проводимость. Для простоты возьмем ФР прямоугольной формы с границей его затемнения в виде прямой линии (рис. 2.6, а, б) [10]. При перемещении светового изображения (СИ) парал­лельно электродам ФР (по оси х) общее сопротивление его

,

где — сопротивления освещенной и неосвещенной частей ФР. Отсюда после преобразования

,

где; ; ; — ширина освещенной части; h — ширина ФР.

При наличии ток в цепи ФР при частичном его освещении

, (2.20)

а степень нарастания

.

Рис. 2.6. Эквивалентная электрическая схема (в, г) и фототок (д, е) фоторезистора в зависимости от формы и направления смещения светового

пятна (а, б): 1 — R_н=R_св; 2 — R_н = 2R_св

При последовательном перемещении светового изображения (по оси у) относительно электродов сопротивление

,

где; ; — длина освещенной части ФР; l — общая длина ФР. В этом случае ток и степень его нарастания будут:

(2.21)

Как следует из приведенных рассуждений, необходимо учитывать при расчетах степень засветки фоточувствительной площадки ФР. Формула (2.18) с учетом доли засветки фотоплощадки ФР приобретет вид:

,

где R = R₁ = R₂ .

На рис. 2.6, д приведена зависимость тока в цепи нагрузки ФР от доли его освещения, вычисленная по формуле (2.20), а на рис. 2.6, е — по фор­муле (2.21). Как видно из рисунка, при перемещении пятна засветки вдоль оси х закон нарастания тока близок к линейному. При перемещении пятна засветки вдоль оси у ток до значения (0,80,9) I_max нарастает медленно, а затем быстро. Все эти факты надо учитывать при расчете схем с малой постоянной времени.

Коррекция частотной характеристики ФР (ПОИ). Коррекция частотной характеристики ФР (ПОИ) возможна, если использовать в усилителе спе­циальную цепь коррекции частотной характеристики [71].

На рис. 2.7, а дана схема цепи для коррекции частотной характери­стики ФР.

Постоянную времени верхнего плеча корректирующей цепи частотной характеристики CR₁ делают равной τ_пр. На рис. 2.7, б приведены относи­тельная частотная характеристика ФР (кривая 1) и зависимость коэффицента передачи k_Д цепи коррекции (кривая 2).

Предположим, что коэффи­циент передачи усилителя К=1, тогда относительная частотная характери­стика системы усилитель — приемник будет представлена кривой 3. Из рис. 2.7, б видно, что относительная частотная характеристика системы уси­литель — приемник имеет спад до уровня 0,707 при частоте . Можно доказать, что верхняя граничная частота устройства

,

а постоянная времени .

Расширение полосы пропускания в q раз приводит к уменьшению коэффи­циента передачи во столько же раз, что можно легко скомпенсировать допол­нительным усилением в q раз.

Следует иметь в виду, что введение корректирующей цепочки увеличи­вает уровень шума системы из-за расширения полосы пропускания тракта,

потому ее целесообразно ставить в выходных каскадах усилителя.

Рис. 2.7. Схема корректирующей цепи частотной характеристики ФР (а), частотные зависимости его чувствительности при τ = 10^-3 и q = 3 (б)

и схема согласования высокоомного ФР с усилителем (в); 1 — относительные значения чувствительности ФР; 2 — коэффициент пере­дачи корректирующей цепи; 3 — результирующая зависимость; — верх­няя граничная частота приемника

На рис. 2.7, в дана схема согласования высокоомного ФР с малым вход­ным сопротивлением усилителя с помощью эмиттерного повторителя [76]. Сопротивление нагрузки ФР выбирают в зависимости от назначения схемы по различным критериям оптимальности: максимальной мощности сигнала, максимальной вольтовой (токовой) чувствительности (), максимуму отношения сигнал/шум, отсутствию частотных искажений [].

Охлаждение ФР. Уменьшение температуры чувствительного слоя ФР рас­ширяет спектральный диапазон его работы в ИК-области (рис. 2.8) и уве­личивают его абсолютную чувствительность. Кроме того, охлаждение прием­ника уменьшает его шумы и, следовательно, увеличивает обнаружительную способность. У ФР при охлаждении увеличиваются сопротивление и по­стоянная времени. По способу охлаждения различают следующие устройства: испарительные или криостатные (сосуды Дьюара); адиабатические — на внезапном расширении газа, использующие эффект Джоуля — Томпсона; компрессорные, использующие прокачиваемый хладагент; термоэлектрические, основанные на эффекте Пельтье; радиационные с лучистым теплоотводом в космос.

Наибольшее распространение получили криостатные методы охлаждения, работающие за счет непосредственного контакта хладагента с фоточувствительным слоем ФР, находящегося в сосуде Дьюара (рис. 2.8, а, б) [64]. Сосуд Дьюара представляет собой два тонкостенных стеклянных с отражающим покрытием стакана, вставленных один в другой, с заваренными торцами. В промежутке между ними создается вакуум. Во внутренний объем криостата помещают хладагент — сжиженный или отвержденный газ, охлаж­дающий ФР до собственной температуры. Применение отвержденного хлад­агента позволяет располагать криостат в горизонтальном положении. В табл. 2.1 приведены параметры некоторых хладагентов [64].

Холодильные системы, использующие эффект Джоуля — Томпсона, осно­ваны на поглощении тепла резко расширяющимся газом, который охлаждает ФР. Достижимая температура до 78 К.

Применение компрессорных холодильных установок возможно только в лабораторных условиях, так как установки имеют большие габаритные размеры.

В последние годы для охлаждения ФР используют газовые микрокрио­генные машины, работающие на основе различных циклов с ресурсом работы до 20 тыс. ч при температуре охлаждения до 4 К и хладопроизводительности более 2 Вт, однако при их работе возникают вибрации и помехи, ухудшающие параметры приемников [21].

Рис. 2.8. Устройство ФР, охлаждаемых жидким азотом (а), жидким гелием (б),

сжатым азотом (в), брикетом охлажденного хладагента (г):

1 — входное окно (или фильтр); 2 — фоточувствительный элемент; 3 — сосуд Дьюара; 4 — жидкий азот; 5 — электрический вывод; 6 — жидкий гелий; 7—змеевик; 8 — охлаждае­мая диафрагма, образующая апертурный угол; 9 — внутренний сосуд; 10 — наружный сосуд; 11 — брикет отвержденного хладагента; 12 — вкладыш; 13 — пружина; 14 — крышка; 15 — предварительный усилитель

Таблица 2.1

Параметры хладагентов [64]

Хладанет

Температура кипе­ния при давлении 0,1 мПа

Диапазон рабочих температур в твердотельных системах

Плотность жидкости, г/см3

Плотность в твердом состоянии, г/см3

Хладанет

Температура кипе­ния при давлении 0,1 мПа

Диапазон рабочих температур в твердотельных системах

Плотность жидкости, г/см3

Плотность в твердом состоянии, г/см3

К

К

Гелий при пониженном давлении Гелий Водород Неон Азот Аргон Кислород Воздух Метан Фреон

0,71 4,22 20,38 27,10 77,86 87,29 90,2 85-88 111,67 145

— — 8,3 – 14 13,5 – 24 43,4 – 63 47,8 – 83 — — 59,8 —

— 0,125 0,071 1,206 0,804 1,393 — — 0,426 —

— 0,16 0,09 1,44 0,45 1,70 — — 0,52 —

Диоксид углерода (углекислота) Плавление смеси (42% льда, 58% NaCl) Аммиак Плавление смеси (77% льда, 23% NaCl) Плавление льда

194,70 218 239,76 252 273,16

125 – 194 — — — —

1,180 — 0,682 — —

1,6 — 0,8 — —

Широкое распространение в последние десятилетия получили термоэлек­трические холодильники на эффекте Пельтье, у которых охлаждение дости­гается за счет протекания электрического тока через термопарные спаи, причем один из спаев нагревается, а другой охлаждается. Самый распро­страненный материал для термоэлектрических холодильников — теллурит висмута Bi₂Te, у которого показатель добротности достигает (22,5) 10^-3 К^-1. Использование одного каскада такого термохолодильника дает перепад температур холодного и горячего спаев 70°. При применении нескольких каскадов термохолодильников достигают температуры 140—160 К, что бывает часто недостаточно. Тем не менее в диапазоне охлаждения 200—273 К указанные термоэлектрические микрохолодильники находят широкое приме­нение, так как они имеют большой ресурс работы и малые размеры, бес­шумны в работе, и у них отсутствует вибрация [64]. При теплоотводе в открытый космос можно достичь температуры 100—195 К [75].

Конструкции неохлаждаемых ФР (рис. 2.9). Фоточувствительный слой ФР состоит из полупроводникового материала с электродами в виде пленок, наносимых испарением в вакууме из золота, платины или серебра. Фото­чувствительный слой ФР из CdS и CdSe наносят пульверизацией на стеклян­ную или керамическую подложку, реже испарением в вакууме и спеканием порошкообразной массы. ФР на основе PbS и PbSe изготавливают путем химического осаждения фоторезистивного слоя на подложку из стекла или кварца.

Для защиты резистивного слоя от действия атмосферы его покрывают лаком или заделывают в герметический корпус [42].

В настоящее время нет ни одной отрасли науки и техники, где не при­меняли бы ФР. В табл. 2.2 приведены параметры отечественных ФР, широко используемых в тепловизорах, радиометрах, теплопеленгаторах, в системах автоматизации в приборах спектрального анализа, в системах световой сигнализации и защиты. ФР применяют в системах контроля и измерения геометрических размеров, скоростей движения объектов, температуры, управ­ления различными механизмами, для определения качественного и количест­венного состава твердых, жидких и газообразных сред и т. д. ФР сегодня — один из самых распространенных фотоприемников, так как во многих случаях фоторезистивный способ получения и обработки информации дает явное пре­имущество по сравнению с другими способами. Благодаря значительному усовершенствованию конструкций и расширению номенклатуры серийно вы­пускаемых фоторезисторов стало возможным дальнейшее развитие фоторезистивной автоматики.

Рис. 2.9. Конструкция серийных неохлаждаемых ФР

Рис. 2.9. (Продолжение)

Таблица к рис. 2.9.

Тип ФР	Рисунок	А	Б	В	Г	Д	Ж	З	И	К	Л	М	Н	О
СФ 2 - 5	б	10,7	9	7,4	___	40	0,5	4,2	8	10,7	1,6	6,1	___	5,8
СФ 2 - 6	а		8	0							1	5,8	0
СФ 2 - 16		3,4	2,8			16	0,3	1,5	2,8	3,4	___	2,3		1,8
СФ 2 - 18		9,4	8		0,5	40	0,5	5,2	7,6	10,7	1,5	5,8		6,8
СФ 2 - 19	в
СФ 3 – 2А; СФ 3 – 2Б	г	8,8	8,3		___			4,2	8		1,6			5,8
СФ 3 – 4А; СФ 3 – 4Б	д
СФ 3 – 7А; СФ 3 – 7Б; СФ 3 – 9А; СФ 3 – 9Б	а
СФ 3 - 11		10,7	9	8,2								6,1	___
СФ 3 - 12	б
СФ 3 - 16	а	3,4	2,8	0	0,3	16	0,3	1,5	2,8	3,4	1,2	2,3	0	1,8

Рис. 2.9. (Продолжение)

Рис. 2.9. (Продолжение)