Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрические преобразователи – это устройства, с помощью которых энергия электромагнитного излучения оптического диапазона (от 10^-5 до 1000 мкм)- преобразуется в электроэнергию, что влечет за собой изменение того или иного электрического параметра преобразователя. К основным приемникам относятся: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фотоэлемент, электровакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Одна из основных характеристик фотопреобразователей – спектральная фоточувствительность, под которой понимают отношение эффективного преобразования приемником монохроматического потока излучения Ф_Э к падающему на его активную поверхность монохроматическому потоку Ф_l,

S_ПРl = с · Ф_Э/Ф_l,

где с – коэффициент пропорциональности.

На практике широко пользуются понятием относительной спектральной чувствительности которая равна отношению спектральной чувствительности фотоприемника к максимальному значению спектральной чувствительности этого приемника,

V_ПРl = S_ПРl/S_{ПРl max}.

Принцип работы фотопреобразователей основан на использовании внешнего или внутреннего фотоэффекта.

Фоторезистор. Устройство, удельная проводимость которого изменяется при изменении интенсивности падающего на него излучения. Конструктивно он состоит из однородной полупроводниковой пластины с контактами. Фоторезисторы изготавливают из полупроводниковых материалов – оксидов (сернистого свинца, сернистого висмута). Функция преобразования существенно нелинейная фоторезисторы имеет высокое темновое сопротивление R_Т больше
1 Мом. При облучении световым потоком его сопротивление падает более чем в 1000 раз.

При выборе приемника необходимо учитывать R_Т, чувствительность, спектральную чувствительность. Быстродействие фоторезисторов оценивается постоянной времени t, которая для большинства составляет 10^-2–10^-5 с. Фоторезисторы весьма чувствительны к изменениям температуры. Рабочий диапазон температур составляет от -60 до +60 ⁰С.

Фотодиоды – это устройство преобразующее электромагнитное излучение оптического диапазона в электрический ток. Функция преобразования их линейна в широком диапазоне. Фотодиод может работать в фотогенераторном режиме, когда на его выходе под действием потока излучения генерируется фотоЭДС. Они изготавливаются из германия, кремния. Максимальная спектральная чувствительность у кремниевого фотодиода 0,9 мкм, германиевого 1,8 мкм. Кремниевые фотодиоды менее чувствительны к изменениям температуры.

Фототранзисторы – это транзистор, ток коллектора которого зависит от падающего потока. Фототранзистор имеет более высокую чувствительность, нелинейную зависимость, но частотные характеристики хуже, чем у фотодиодов. Постоянная времени t составляет 1 мкс.

Фотоэлемент – это устройство, вырабатывающее напряжение пропорционально освещенности. У них плохая частотная характеристика, низкое входное сопротивление, линейная зависимость фотоЭДС от потока оптического излучения. Они используются как источники питания.

Электровакуумные фотоэлементы. Работа фотоэлементов основана на внешнем фотоэффекте. Кванты света, достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим полем, попадают на анод и создают ток пропорциональный потоку оптического излучения. Фотоэлементы имеют высокую чувствительность, в основном используются для преобразования оптического излучения низкой частоты.