18. Фотоэлектрические приемники излучения. Классификация. Основные параметры. Область применения

Фотоэлектрические приёмники излучения

Фотоприёмники-это оптоэлектронные приборы, предназначенные для преобразования энергии оптического излучения в электрическую. Для получения максимального преобразования оптического излучения в электрический сигнал необходимо иметь согласованные спектральные характеристики фотоизлучателей и фотоприёмников.

Работа фотоприёмников основана на одном из видов электрических явлений:

• внутренний фотоэффект;

• изменение электропроводности при его освещении;

• внешний фотоэффект-испускание веществом электронов под действием света;

• фотоэффект в запирающем слое-возникновение ЭДС на границе двух материалов под воздействием света.

• Все фотоприёмники можно подразделить на две группы:

• с внешним фотоэффектом и

• с внутренним фотоэффектом.

Приборы в внешним фотоэффектом.

К приборам с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газоразрядные фотоэлементы (ФЭ) и фотоэлектронные умножители (ФЭУ)

При отсутствии излучения анодный ток равен нулю. При освеще­нии фотокатода возникает фотоэмиссия и в цепи анода протекает ток.

Фотоэлементы используются в первичных преобразователях ин­формации.

Приборы, использующие внешний фотоэффект имеют большие размеры, высокую стоимость, трудно сопрягаются с электронными схемами и поэтому в настоящее время применяются редко.

Приборы с внутренним фотоэффектом. К приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. При внутреннем фотоэффекте происходит возбуждение электронов вещества, они переходят на более высокий энергетический уровень, что приводит к изменению концентрации свободных носителей заряда и электрических свойств вещества.

Фоторезисторы имеют высо­кую инерционность и многие из них не способны работать на частотах более 100Гц.

При отсутствии освещенности рабочей площадки фоторезистор имеет максимальное сопротивление, называемое темновым, которое составляет 10⁴..10⁷ Ом. По цепи протекает малый темповый ток Iт, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда

Фоторезистор характеризуется следующими параметрами:

• темповое сопротивление - это сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения;

• удельная интегральная чувствительность;

• граничная частота f_гр - это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в √2 раз по сравнению с чувствительностью немодулированного светового потока. f_гр ≈ 10³…10⁵ Гц;

• температурный коэффициент фототока;

рабочее напряжение.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимах:

• в режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим) и

• в режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Режим фотогенератора имеет место при U>0 и i<0 (IV квадрат). При этом диод отдает энергию во внешнюю цепь. В этом режиме работают солнечные элементы. С одного квадратного метра площади солнечных батарей можно получить до 100 Вт мощности.

Режим фотопреобразователя соответствует U<0 и i<0 (III квадрат). В этом режиме фотодиод потребляет энергию.

Фотодиоды используются в электрических цепях измерительной аппаратуры, системах автоматики и аппаратуре передачи данных. Они относятся к быстродействующим приборам и работают на частотах до 10⁷…10¹⁰ Гц.

Основными характеристиками светодиода являются: световая, вольт-амперная и спектральная.

Фототранзисторы.

Фототранзистором называется прибор с двумя p-n переходами, управляемый оптическим излучением. Фототранзисторы, как и обычные транзисторы, могут быть p-n-p и n-p-n типа. Конструктивно фоторезистор выполнен так, что световой поток облучает область базы.

Наибольшее практическое применение включения фоторезистора в схеме с ОЭ, в которой нагрузка включается в коллекторную цепь. Входным сигналом фоторезистора является модулированный световой поток, а выходным - изменение на резисторе нагрузки в коллекторной цепи.

Основные параметры фототранзистора следующие: рабочее напряжение, темповый ток, рабочий ток, максимально допустимая мощность рассеивания, статический коэффициент усиления по фототоку, интегральная чувствительность, граничная частота.

Фототиристор - это четырёхслойная полупроводниковая структура управляемая световым потоком подобно тому, как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемый на управляющий электрод.

Фототиристоры применяются в качестве бесконтактных ключей, управляемых световым сигналом.