2.1.4. Оптические чувствительные элементы

В качестве ЧЭ оптического типа в датчиках чаще всего ис­пользуются оптронные пары (свето­излуча­тель - фото­элемент), построенные с исполь­зованием светодиодов (или ламп накала с вольфрамовой нитью, а иногда и лазеров) и фотодиодов (или фо­то­транзисторов).

Исторически, первыми излучателями оптических систем были вакуумные или газонаполненные лампы, получившие названиеламп накала. Их достоинством является срав­нительно большая мощность излучения и ста­бильная температурная характеристика в широком диа­пазоне температур -60 ... +150 ⁰С (рис. 2.11). Необходи­мый уровень выходного сигнала достигается уже при 50% выходной мощности, что позво­ляет увеличить ресурс работы ЧЭ путем пита­ния нити накала пониженным напряже­нием. (Так, при питании лампы 6В/4Вт, име­ющей срок службы 100 часов пониженным напряжением 4В ресурс возрастает до 10000 часов). Кроме того, высокая излучаемая мощность позволяет снизить требования к чувствительности и помехозащищенности фотоприемников.

Приме­нение ламп с нитью накала » в фотоэлектрических датчиках положений позволяет непосредственно сформировать «линию считывания и, тем самым, обойтись без ще­левых диафрагм. Такое простое техническое решение вдвое увеличивает разрешающую способность датчика.

Впоследнее время в промышленных датчиках положений все чаще используются излучающие полупроводнико­вые диоды -светодиоды. Их действие основано на яв­лении элек­­­тро­лю­минесценции.

Электролюминесценция газов - свечение газового разряда известна давно. Применительно к твердым телам она была открыта О. Лосевым в 1923 г. Сейчас, чаще всего для электролюминесценции используются полупроводниковые материалы, где она проявляется в «излу­чательной рекомбинации» носителей в прямосмещенном p-n переходе (рис. 2.12). На рисунке показано: U_o - прямое смещение, Е_внеш - напряженность внешнего поля.

Яркость свечения пропорциональна току через светодиод.

Впринципе, любойпрямосмещенный p-n пе­реход является светодиодом, т.к. по крайней мере, часть носителей, попавших через барьер из эмиттера в базу рекомбинирует с рожде­нием фотона, и какая-то их доля, избежав по­глощения в диоде, вылетает наружу. На самом деле кремниевые и германиевые барьеры обла­дают малой вероятностью «излуча­тельной ре­комбинации». Для этой цели используются соединения на базе арсенида галлия (GaAsP, GaAlAs), в которых, даже не слишком хими­чески чистых, эта вероят­ность близка к 1.

Из курса электроники известно, что для создания в полупроводнике электрона проводимости и дырки, т.е. «электронно-ды­рочной» пары надо затратить энергию, или преодолеть энергетический барьер высотой Е_запр (рис.2.13). На рисунке обозначено: Е_вал и Е_пр - энергии, соответствующие валентной зоне и зоне проводимости, Е_запр - ширина запрещенной зоны. Добавлением в полупроводник акцепторов ширина запрещенной зоны уменьшается на величину Е_акц. Энергия, необходимая для преодоления энергетического барьера может быть получена в ре­зультате тепловых колебаний кристаллической решетки и от энергичного внешнего фотона. В результате электрон попадает на уровень проводимости и образуется «электронно-ды­рочная» пара (рис.2.13). При рекомбинации пары выде­ляется эне­­ргия, равная по величине Е_запр, иногда с излучением кванта света Е_ф = Е_запр. Цвет (длина волны l) определяется энер­гией фото­на Е_ф испускаемого при рекомбина­ции. В большинстве случаев она равна ширине запрещенной зоны полупроводника Е_запр, и, например, для GaAs светодиода равняется:

l =  c/Е_запр = 1,24/1,4 = 0,89 мкм.

Здесь  - постоянная Планка ( = 6,62 10^-34 Дж с), с - скорость света в среде. (Для вакуума с = 299792458 м/с)

Для перевода излучения в видимую, например, красную область спектра увеличи­вают ширину запрещенной зоны добавлением атомов фосфора.

Светодиоды характеризуются:

• мощностью излучения Р (достигает 1,0 Вт);

• спектральной характеристикой излучения S(l) и ее шириной на уровне 0,5 Р - S_0,5(l) - до 50 нм;

• значением длины волны l в максимуме S(l) - 0,4 ... 1,2 мкм;

• углом направленности  - 60⁰ … 160⁰.

Направленность (Н) излучателя представляет собой свойство концентрации излучаемой мощности в относительно малом телесном угле. Диаграмма Н (рис. 2.14) характеризует зависимость мощности излучения Р от направления r (или угла ).

D(r)= Р(r)/Р(R₀).

Направление R₀ соответствует максимуму излучения P_max; оно обычно совпадает с перпендикуляром к излучающей поверхности.

При использовании полярных координат D() угол  обычно выбирают из условия, чтобы отношение Р/P_max  0,8.

По массогабаритным показателям, надежности, быстродействию и потребляемой мощности светодиоды превосходят лампы накала. Их срок службы превышает 10000 часов. Недостатки светодиодов связаны с меньшей мощностью излучения Р (здесь луч­шие - арсенид галлиевые) и ее зависимо­стью от температуры Р = Р(T⁰).

Впоследнее время все большее распространение получаютполупроводниковые лазерные диоды (рис. 2.15).

В основе работы лазера лежит способность некоторой активной среды под действием внешнего электромагнитного излучения определенной частоты формировать когерентное монохроматическое излучение. Впервые идея инициирования самовозбуждающихся колебаний была предложена В.А. Фабрикантом и Д. Вебером в 1951 г, а реализована Д. Гордоном, Х. Цайгером и Ч. Таунсом в 1954 году.

Особенностью лазерного излучения является очень острая диаграмма Н и исключительно малый диаметр фокального пятна. (В датчиках положения он оставляет менее 0,1 мкм).

Толщина полупроводникового пакета из трех слоев не превышает 100 мкм при ширине слоя  300 мкм, а стороны пакета имеют длину 400 мкм и ширину 300 мкм. Генерация света происходит в активном слое арсенида галлия при прохождении через него тока. Резонатор образован гранями полупроводникового крис­­талла, перпендикулярными плоскости электродов. Таким образом, источником излучения является узкая полоса на боковой стороне пакета слоев.

Большинство лазерных диодов излучают свет в инфракрасном (ИК) диапазоне. Длина волны  (и, следовательно, размер фо­каль­ного пятна) зависит от содержания алюминия. Сейчас промышленно выпускают лазерные диоды с длиной волны 0,78 ... 0,63 мкм. Выходная мощность дос­ти­гает 0,003 ... 0,5 Вт, при долговечности более 100000 час.

Недостатком лазерных диодов является сравните­ль­но большие потери оптической энергии.

Действие приемников света основано навнутреннем фотоэффекте. В отличие от внешнего фотоэффекта, открытого Г. Гер­цем в 1887 г., здесь не происходит вылета электронов за границы материала, а лишь меняется энергетическое состояние этих электронов. В оптических сис­темах чаще всего используются фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиод пред­­ставляет собой полупроводниковый диод на базе p-n перехода или барьера металл - полупроводник, смещенного в обратном направлении (рис. 2.16). При этом обратный ток фотодиода I_ф зависит от освещенности его p-n перехода Ф.

Вобщем случае, если на полупроводник па­дает свет с энергией фотонаЕ_ф = c/ > Е_запр, то каждый поглощенный фотон порождает в нем электронно-дырочную пару. Если эта пара воз­никает в области объемного заряда обратнос­мещенного p-n перехода, то она подхватыва­ется электрическим полем, причем электрон выбрасывается в n-область, а дырка в p-область. В темноте «генера­ци­онный» или «темновой» ток оп­ределяется числом электронов и дырок, возни­кающих в области объемного заряда за счет тепловой генерации. При освещении светом с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны Е_запр ток через переход воз­рас­та­ет. Поэтому фототок во столько раз больше темнового, во сколько раз число носите­лей, создаваемых в области объемного заряда светом больше числа, возникающих при тепло­вой генерации.

При освещении выпрямляющего перехода световым потоком Ф происходит генерация из­бы­точных но­сителей и обратный ток возрастает на вели­чину  I_ф, называемую фототоком (рис. 2.17а). Ве­личи­на об­ратного смещения, прикладываемого к пере­хо­ду, составляет  10 ... 30 В. Фотодиоды изго­тавливают на основе германия и кремния и имеют линейную функ­цию преобразования.

В качестве приемников для ИК GaAs светодиодов с энергией Е_запр = 1,4 эВ используются кремниевые фотодиоды, для которых максимум спектраль­ной чувстви­тель­нос­ти приблизительно соответствует 1,4 эВ.

Работафототранзистора (рис. 2.18а) основана на принципе усиления фототока коллекторного p-n перехода. В этом случае можно считать, что внутри фототранзистора между его базой и коллектором включен фотодиод, вырабатывающий фо­­­­тоток I_ф, который созда­ет токи в цепях транзистора (рис. 2.18б,в):

I_к = h_21э I_ф  - в цепи коллектора;

I_э = (1 + h_21э) I_ф   - в цепи эмиттера.

Здесь h_21э - коэффициент усиления схемы с общим эмиттером.

Функцию преобразования фотоприемника можно пре­д­ставить в обобщенном виде (рис. 2.17б):

I_ф = S_ф Ф

где S_ф - светочувствительность. Световой поток Ф измеряется в люменах (Лм).

Фотоприемники характеризуются:

• спектральной характеристикойS(l) (рис. 2.19), а также длиной волны l в ее максимуме (для германиевых l = 0,6 ... 1,0 мкм, для кремниевых - до 1,5 мкм);

• темновым током (I_т ~50 мкА);

• интегральной чувствительностью S_ф (до 100 мА/лм - для фотодиодов и до 1 А/лм - для фототранзисторов).

• быстродействием (временем спада фо­тотока) t, определяемым шириной области объемного заряда Н_оз и дрейфовой скоростью электронов и дырок V_д в этой области:

t = Н_оз /V_д = 10^-4 см/10⁷ см/с = 10^-11 с.

Оптические ЧЭ позволяют строить высо­конадеж­ные и точные датчики с разреше­нием свыше 13 двоичных разрядов (и диапазоном преобразования – более 2¹³). В таблице 2.5 приводятся сравнительные характеристики разных оптических ЧЭ. Обозначено: Ф - световой поток, S - чувствительность.

Таблица 2.5. Сравнительные характеристики оптических ЧЭ

Модель	Тип	Uип, В	I, мА (l, мкм)	Ф, лм (S, мА/лм)	Размеры, мм (масса, г)	Срок службы, ч
СМН10	лампа накала	10	0,05	1	Æ39	1500
АЛ115	светодиод	2	50	10 мВт	Æ2,46,3 (0,2)	2500
АОД111	оптопара	10	20	2мкА/мкм	(1)	5000
КФДМ	фотодиод	20	(0,9)	(100)	1,91,9 (0,8)	5000
ФЭУ-96	фотоумножитель	до 2000	(0,35)	(30000)	(25)	1500