Фотоэлектронные приборы

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ - электровакуумные или полупроводниковые приборы, преобразующие электромагнитные сигналы оптического диапазона в электрические токи, напряжения или преобразующие изображения в невидимых (напр., ИК) лучах в видимые изображения. Фотоэлектронные приборы предназначены для преобразования, накопления, хранения, передачи и воспроизведения информации (включая информацию в виде изображения объекта). Действие Ф. п. основано на использовании фотоэффектов: внешнего (фотоэлектронной эмиссии), внутреннего (фотопроводимости) или вентильного. К фотоэлектронным приборам относятся различные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, фоторезисторы, фотодиоды, электронно-оптические преобразователи, усилители яркости изображения, а также передающие электронно-лучевые трубки.

На рисунке 4.1 показано устролйство одного из типов фоторезистора. Он состоит из тонкого полупроводникового слоя 2 (например, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый кадмий), нанесённого на изолирующую подложку 1, металлических электродов 3, посредством которых фоторезистор включается в цепь, и защитного лакового покрытия 4.

Рис. 4.1 Устройство фоторезистора.

На рисунке 4.2 приведена схема электрическая принципиальная фоторезистора.

Рис.4.2 Схема электрическая принципиальная фоторезистора.

Для характеристики полупроводникового фоторезистора и возможной области его применения используется ряд параметров. Важнейшими из них являются: вольтамперная характеристика, световая характеристика, интегральная и спектральная чувствительности, постоянная времени, кратность изменения сопротивления, пороговый поток.

1. Вольтамперная характеристика фотосопротивления отражает зависимость силы фототока от напряжения, приложенного к фотосопротивлению, при неизменном световом потоке. Для большинства фотосопротивлений вольтамперная характеристика имеет линейный характер, т.е. существует пропорциональная зависимость между фототоком и напряжением при напряжениях, не превышающих допустимое.

2.Световая (люкс-амперная) характеристика фоторезистора выражает зависимость фототока от величины светового потока, падающего на фотосопротивление, при постоянном напряжении. В области малых значений Ф она линейная, а при увеличении Ф рост фототока замедляется из-за возрастания вероятности рекомбинаций носителей заряда через ловушки и уменьшения их времени жизни.

3. Под удельной интегральной чувствительностью S_{ф инт уд} фоторезистора понимают отношение фототока I_Ф к величине падающего светового потока Ф, если к фоторезистору приложено напряжение U = 1В

S_{ф инт уд} = I_ф /(ФU)

4. Спектральная чувствительность характеризует величину фототока монохроматического излучения при действии на фотосопротивление единицы светового потока определенной длины волны при определенном приложенном напряжении. Спектральная чувствительность определяется материалом фоторезистора и введенными в него примесями.

5. Фотоэлектрические процессы в фоторезисторе обладают инерционностью. Поэтому, когда на поверхность фоторезистора начинает падать свет, фототок достигает максимального значения не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Аналогичное явление наблюдается и при прекращении освещения. Процесс освобождения светом новых электронов и дырок сопровождается их рекомбинацией. По мере роста концентрации избыточных носителей заряда скорость рекомбинации также растет, и только по истечении некоторого времени после начала освещения концентрации электронов и дырок достигают равновесных значений, которые сохраняются, пока освещение неизменно.

После прекращения освещения избыточные носители не мгновенно, а в течение некоторого времени рекомбинируют друг с другом до тех пор, пока не установится концентрация носителей заряда, характерная для неосвещенного полупроводника (темновая концентрация). Инерционность фоторезистора характеризуется постоянной времени τ, которая определяется как время, за которое фототок после прекращения освещения уменьшается в е раз. Кроме того динамические свойства фоторезистора могут быть охарактеризованы граничной частотой f_гр–это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в √2 раз по сравнению с чувствительностью при немодулированном потоке. f_гр=10^3-10⁵ Гц.

6. Кратность изменения сопротивления определяет, во сколько раз изменяется омическое сопротивление фоторезистора при его освещении:

C = R_T / R_CB

где R_Т — темновое сопротивление фоторезистора,

R_СВ — сопротивление фоторезистора при освещении.

7. Пороговый поток – это минимальное значение потока Ф_п которое может обнаружить фоторезистор на фоне собственных шумов.

Фотодио?д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Условное обозначение фотодиода и фототранзистора в схемах электрических принципиальных приведено на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Условное обозначение фотодиода и фототранзистора в схемах электрических принципиальных

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_p-n

Фотодиод может работать в двух режимах:

· фотогальванический — без внешнего напряжения

· фотодиодный — с внешним обратным напряжением

Особенности:

· простота технологии изготовления и структуры

· сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия

· малое сопротивление базы

· малая инерционность

· чувствительность – отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала.

Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

; — токовая чувствительность по световому потоку

; — вольтаическая чувствительность по энергетическому потоку

· шумы – помимо полезного сигнала на выходе фотодиода появляется хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром — шум фотодиода. Он не позволяет регистрировать сколь угодно малые полезные сигналы. Шум фотодиода складывается из шумов полупроводникового материала и фотонного шума.

Характеристики:

· вольт-амперная характеристика (ВАХ) – зависимость выходного напряжения от входного тока.

· спектральные характеристики – зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод. Она определяется со стороны больших длин волн шириной запрещённой зоны, при малых длинах волн большим показателем поглощения и увеличения влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. То есть коротковолновая граница чувствительности зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Положение максимума в спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения.

· световые характеристики – зависимость фототока от освещённости, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещённости. Это обусловлено тем, что толщина базы фотодиода значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. То есть практически все неосновные носители заряда, возникшие в базе, принимают участие в образовании фототока.

Фотодиод является наиболее быстродействующим фотоэлектронным прибором.

Фототранзи?стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, вариант биполярного транзистора. Отличается от классического варианта тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения.

Фототранзистор имеет структуру n-p-n или p-n-p транзистора и может усиливать ток. Дырки электронно-дырочных пар, рождённых излучением, находятся в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. При увеличении положительного потенциала базы происходит усиление фототока за счёт инжекции электронов из эмиттера в базу.

Биполярный фототранзистор — полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами — предназначен для преобразования светового потока в электрический ток. При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно-дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем.

Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.

Недостатком фототранзисторов является большая инерционность, что ограничивает их применение в качестве быстродействующих выключателей.

Кроме биполярных существуют полевые фототранзисторы.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — электровакуумный прибор, в котором поток электронов, излучаемый фотокатодом под действием оптического излучения (фототок), усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной эмиссии; ток в цепи анода (коллектора вторичных электронов) значительно превышает первоначальный фототок (обычно в 10⁵ раз и выше). Впервые был предложен и разработан Л. А. Кубецким в 1930-1934 гг.

Рис. 4.4. Схема ФЭУ с присоединённым сцинтиллятором

Фотоэлектронный умножитель состоит из входной (катодной) камеры (образуется поверхностями фотокатода, фокусирующих электродов, первого динода), умножительной динодной системы, анода и дополнительных электродов. Все элементы размещаются в вакуумном корпусе (баллоне). Наиболее распространены ФЭУ, в которых усиление потока электронов осуществляется при помощи нескольких специальных электродов изогнутой формы — «динодов», обладающих коэффициентом вторичной эмиссии больше 1. Для фокусировки и ускорения электронов на анод и диноды подаётся высокое напряжение (600—3000 В). Иногда также применяется магнитная фокусировка, либо фокусировка в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Существуют фотоэлектронные умножители с полупроводниковыми умножающими элементами (гибридные), принцип действия которых основан на явлении ионизации атомов полупроводника при его бомбардировке электронами.

В зависимости от конструкции динодной системы ФЭУ разделяются на:

· системы на дискретных динодах с электростатической фокусировкой электронных пучков (наиболее часто используемые диноды коробчатые, ковшеобразной и тороидальной формы),

· системы на дискретных динодах сквозного типа (динодами являются сетки, жалюзи, плёнки),

· системы на распределённых динодах (пластинчатые, щелевые и трубчатые).

· Световая анодная чувствительность (отношение анодного фототока к вызывающему его световому потоку при номинальных потенциалах электродов), составляет 1—10⁴ А/лм

· Спектральная чувствительность (равная спектральной чувствительности фотокатода, умноженной на коэффициент усиления умножительной системы, лежащий обычно в пределах 10³—10⁸) (до 10¹¹);

· Темновой ток (ток в анодной цепи в отсутствие светового потока), как правило, не превышает 10⁻⁹—10⁻¹⁰ А.