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
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.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.