Оптоэлектронные приборы. Знакосинтезирующие индикаторы. Электровакуумные приборы

Страницы работы

Содержание работы

Глава 7

Оптоэлектронные приборы.

Оптоэлектронные приборы предназначены для приема, излучения и преобразования сигналов электромагнитных волн оптического диапазона. Обычно используют следующие диапазоны длинн волн: инфракрасного λ>1мкм; видимого (0,35-0,4)<λ<(0,7-0,75)мкм; ультрафиолетового λ<0,3мкм. Максимальная чувствительность человеческого глаза приходится на длину волны λ=0,55мкм (зеленый цвет). Оптоэлектронные приборы делятся на:

1.светоизлучающие (электросветовые);

2.светопринимающие (фотоэлектрические - фотоприемники);

3.оптроны.

Основные достоинства оптоэлектронных систем передачи информации по сравнению с электронными:

1.  полная гальваническая развязка между входом и выходом;

2. широкая полоса пропускания (1013 - 1015)Гц;

3.  легкое согласование устройсвами с разным входным и выходным сопротивлением;

4.  поскольку носителими света являются электрически нейтральные фотоны, то в таких цепях отсутствуют электромагнитные помехи и наводки.

7.1.Фотоприемные устройства

Фотоприемные устройства предназначены для преобразования светового излучения  в электрические сигналы. В основу работы фотоприемников положны следующие физические явления:

1.  внутренний фотоэффект – изменение электропроводности вещества при его освещении;

2.  фотоэффект в запирающем слое – возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света;

3.  внешний фотоэффект или фотоэлектрическая эмиссия – испускание веществом электронов под действием света.

7.1.1. Фоторезистор

Фоторезистор - двухполюсный полупроводниковый прибор (фотоприемник) без p-n-перехода, сопротивление которого зависит от светового потока. В затемненном полупроводнике имеется относительно небольшое число свободных носителей заряда. Его сопротивление достаточно велико.

Принцип работы основан на явлении внутреннего фотоэффекта: энергия светового потока передается электронам, что вызывает генерацию пар свободных носителей заряда. При этом электроны из валентной зоны перехода в зону проводимости. Рост концентрации носителей приводит к уменьшению сопротивления полупроводника. При этом длина волны λ (λ=с v) или частота v поглащаемого светового излучения должна соответствовать условию hv >ΔW или λ<=сh/ΔW, где h - постоянная Планка, ΔW- ширина запрещенной зоны.

В качестве светочувствительного слоя используют сернистый кадмий CdS, сернистый свинец, PbS селенид свинца PbSe, селенид кадмия CdSe.

Условное обозначение и схема включения фоторезистора показаны на рис. 7.1.

Основные характеристики и параметры :

1.  семейство вольт-амперная характеристик фоторезистора I=f(U)|Ф=const. приведено на рис. 7.2. При Ф=0 ток называется темновым Iт, при ф>0 через фотосопротивлении протекает общий ток Iобщ. Разность этих токов называется фототоком: Iф=Iобщ-Iт.

2.  Передаточная характеристика (рис. 7.2) или энергетическая характеристика фоторезистора 1ф =f(Ф).

В области малых Ф она линейная, а при больших Ф скорость нарастания фототока уменьшается, что связано с возрастанием вероятности рекомбинации носителей заряда. Ее параметром является чувствительность к белому (дневному) свету и называется интегральной чувствительностью:

SФ=Iф/Ф, [mA/лм]

Здесь 1ф - фототок, Ф - световой поток, U - напряжение. Обычное значение Sф от 1 до 20 мА/лм, рабочее напряжение - десятки вольт.

3. RT – темновое сопротивление фоторезистора, при Ф=0 - единицы МОм, поэтому темновой ток очень мал

4. RT/Rmin – величина, показывающая во сколько раз изменяется сопротивление.

5. Спектральная характеристика - зависимость чувствительности от длины световой волны. Она зависит от материала фоторезистора (рис. 7.3).

6. Частотные характеристики фоторезисторов показаны на рис. 7.4. Основной недостаток: малое быстродействие.

Фоторезисторы - сравнительно низкочастотные приборы.

На данном рисунке f-частота изменений (модуляции) светового потока. Граничная частота, порядка 102-105Гц.

7.1.2. Фотодиоды

Фотодиоды (ФД) это фотоприемники на основе р-п перехода. ФД может работать в двух режимах – фотодиодном и фотогальваническом.

А) Фотодиод, в фотодиодном режиме - это полупроводниковый диод, смещенный внешним источником напряжения в обратном направлении. Принцип его работы основан на внутреннем фотоэффекте. Конструкция (рис. ) предусматривает окно для попадания света на р-п переход. Условное обозначение, схема включения и семейство ВАХ приведены на (рис. 7.5).

При Ф=0, через р-п переход протекает обратный ток Iобр=I0, связанный с неосновными носителями заряда возникающими за счет термогенерации. Это темновой ток.

 При освещении р-п перехода (Ф>0) концентрация неосновных носителей заряда растет и соответственно растет обратный ток. Появляется добавочная составляющая – фототок Iф, который зависит от светового потока Iф=SфФ. Общий ток равен

Iобщ=Iф - I0(eU/φт – 1)

Это уравнение ВАХ фотодиода.

Основные параметры и характеристики.

1.  Передаточная или энергетическая характеристика Iф=f(Ф)|U=cosnt. Это практически линейные зависимости. С увеличением напряжения U на диоде фототок возрастает, что связано с расширением р-п перехода и уменьшением толщины базы, в результате чего в ней рекомбинирует меньшая часть неосновных носителей при движении к р-п переходу.

2.  Sф=Iф/Ф – интегральная чувствительность. Она составляет 15 -20 мА/лм.

3.  Спектральная характеристика- S=f(λ), аналогична соответствующим характеристикам фоторезистора и зависят от материала и примесей. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотодиодов приходится на длину волны около 1 мкм, для германиевых 1.4 мкм. Спектральные характеристики захватывают всю видимую и инфракрасную области спектра.

4.  Частотная характеристика S=f(ω). Граничная частота быстродействующих кремниевых диодов достигает 107Гц. Она ограничена скоростью диффузии неосновных носителей заряда через базу.

Повышение быстродействия и увеличения чувствительности достигают в диодах: со встроенным электрическим полем, на основе p-i-n-структуры, с барьером Шотки, с лавинным пробоем.

Гораздо, большую чувствительность имеют фототранзисторы и фототиристоры, в которых световой поток проникает к базе и коллекторному переходу.

Б) Фотодиод, в фотогальваническом режиме - это р-п переход, используемый для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Фотодиод в фотогальваническом режиме называют фотогальваническим элементом. Он работает без внешнего источника э.д.с., сам, являясь источником э.д.с.

При отсутствии освещения (Ф=0) р-п переход находится в равновесном состоянии напряжение Еф на выводах фотодиода равно нулю (Еф=0).

При освещении светом (Ф>0) непосредственно р-п перехода в нем происходит генерация пар носителей заряда. Под действием существующей в переходе контактной разности потенциалов этипары разделяются: электроны переходят в n-область, а дырки - в р-область (рис. 7.7). В результате такого разделения р- область приобретает положительный потенциал, а n-область отрицательный. Это уменьшает высоту потенциального барьера и приво

•- электрон

о- дырка

+ -ион донорной примеси

- - ион акцепторной примеси

дит к образованию на выводах фотодиода напряжения - фото э.д.с., а при подключении резистора – тока во внешней цепи. Вольтамперная характеристика фотодиода с учетом фототока запишется в виде:

Iобщ=Iф - I0(eU/φт – 1).

При коротком замыкании, когда Rн=0 (U=Uвых=0), из ВАХ следует, что Iобщ=Iф=SфФ т.е. зависимость фототока от потока линейная.

Похожие материалы

Информация о работе

Предмет:
Электроника
Тип:
Конспекты лекций
Размер файла:
362 Kb
Скачали:
0