Фотоэлектрические приборы

Когда речь идет о фотоэлектрическом датчике, то подразумевается сочетание источника излучения и приемника соответствующего излучения. Фоточувствительные приемники работают в определенном диапазоне длин волн, поэтому для получения наибольшего сигнала их характеристики должны быть согласованы с параметрами излучателя. Весь диапазон принимаемого оптического излучения можно схематически представить в виде "линейки" длин волн (рис. 1.8).

В качестве источника излучения могут служить различные приборы: простая лампочка накаливания, светодиод, лазер. Оптическое излучение, попадая на чувствительную поверхность приемника, частично от нее отражается (часть полезного сигнала теряется), а остальная часть поглощается.

Рис. 1.8

При поглощении оптического излучения в фоточувствительном слое полупроводникового материала возникают носители зарядов: электроны и дырки, обуславливающие проводимость. Фотопроводимость возникает в том случае, если энергия фотонов

Е_фт = h · ν,

где h1) – постоянная Планка, а ν – частота излучения, превышает некоторую пороговую величину. При поглощении фотона собственно полупроводником значение пороговой энергии определяется шириной запрещенной зоны (0,5…2,0 эВ2)), разделяющей зону проводимости и валентную зону, а в примесном полупроводнике пороговая энергия определяется энергией активации (0,04…0,15 эВ) соответствующего уровня примесного атома (донора или акцептора).

Cвойства фотоприборов определяются системой характеристик и параметров, основные из которых следующие:

– спектральная характеристика чувствительности оценивает реакцию фотоприбора на воздействие излучения с различной длиной волны и определяет спектральную область излучения, в которой может быть применен фотоприбор;

– световая (энергетическая) характеристика отражает зависимость фототока прибора от интенсивности возбуждающего потока излучения;

– вольт-амперная характеристика (ВАХ) определяет зависимость фототока приемника от приложенного к нему напряжения.

Основные параметры фотоприборов:

– рабочее напряжение, U_р;

– максимально допустимое напряжение U_max;

– темновое сопротивление R_т – сопротивление прибора в отсутствие потока излучения, Ф = 0;

– дифференциальное сопротивление r_диф – сопротивление в кон-кретной рабочей точке ВАХ;

– темновой ток I_т – ток, протекающий в приборе, в отсутствие потока излучения, Ф = 0.

Основой полупроводникового фоточувствительного прибора (фотодиода, фототранзистора, фототиристора) является р – n переход.

Фотодиод, упрощенная структура и условное графическое обозначение которого приведены на рис. 1.9, является одним из широко распространенных приборов в автоматических устройствах. Рассмотрим принцип работы этого фотоприемника. Структура фотодиода представляет собой два примесных полупроводника различной электропроводности, область р – n перехода которых подвергается воздействию излучения.

Рис. 1.9

При облучении р – n перехода в областях р и n возникают неравновесные носители зарядов обеих полярностей. Концентрация основных равновесных носителей зарядов практически не меняется, а концентрация неосновных – существенно увеличивается. При этом, если излучение поглощается в р области, то генерируемые в ней электроны, находящиеся от р – n перехода на расстоянии, меньшем длины диффузии, подходя к нему, экстрагируются электростатическим полем в n область. То же происходит с дырками, генерируемыми в n области. Неосновные носители, генерируемые в области объемного заряда р – n перехода, перемещаются в области, где они будут основными. Если р – n переход разомкнут, то перенос носителей заряда приводит к накоплению отрицательного заряда в области n и положительного заряда в области р. Суммарный заряд этих основных носителей частично компенсирует заряды ионов запирающего слоя, сужая ширину запирающего слоя и понижая потенциальный барьер. Возникающая в результате разделения неравновесных носителей зарядов ЭДС, получила название фото-ЭДС – Е_ф. Она зависит от светового потока Ф, облучающего р – n переход и некоторых других факторов, но её максимальное значение не может превысить контактную разность потенциалов.

Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогальваническом (фотогенераторном – рис. 1.10,а) и фотодиодном (или фотопреобразователя – рис. 1.10,б). В первом случае прибор работает в режиме генерации фото-ЭДС, обеспечивая протекание светового тока I_св = I_ф + I_т в подключенной нагрузке R_н. Фототок I_ф есть составляющая светового тока от непосредственно падающего на приемник излучения. Фотогальваническому режиму соответствует IV квадрант вольт-амперной характеристики (ВАХ) фотодиода (рис.1.11).

а) б)

Рис. 1.10

Во втором режиме фотодиод обратно смещен подключенным внешним источником напряжения, и фототок определяется падающим световым потоком. Взаимосвязь тока и напряжения в функции падающего на фотоприемник излучения при таком режиме работы определяется частью ВАХ, расположенной в III квадранте (рис. 1.11).

Рис. 1.11

Последний режим имеет ряд достоинств по сравнению с фотогальваническим режимом: меньшая инерционность, повышенная чувствительность к длинноволновой части оптического диапазона, значительная зона линейности характеристик.

В ряде случаев от фотоприемника требуется высокое быстродействие (несколько наносекунд и менее). Такие приборы необходимы в оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт-дисков и т.п. В таких устройствах используются фотодиоды p-i-n cтруктуры и лавинные фотодиоды. Упрощенная структура p-i-n фотодиода приведена на рис. 1.12.

Рис. 1.12

На подложке электронной проводимости n+ повышенной концентрации создан слаболегированный i-cлой и еще слой с дырочной проводимостью р+ повышенной концентрации толщиной порядка 0,3 мкм. При подаче обратного напряжения весь i-слой оказывается сильно обедненным носителями зарядов. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемый световой поток Ф в структуре затухает по экспоненте в зависимости от коэффициента поглощения излучения и вызывает появление фотовозбужденных носителей. Электростатическое поле Е обедненного слоя напряженностью ≥ 10³ В/см ускоряет их до скорости насыщения дрейфа (около 10⁷ см/с). Эту область называют пространством дрейфа. За пределами обедненного слоя движение носителей заряда имеет диффузионный характер с относительно низкой скоростью (~10⁴ см/с), что снижает быстродействие. Для повышения быстродействия необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обедненном слое. С этой целью слой р+ делают очень тонким, а протяженность i-слоя делают большей длины поглощения излучения. Электроны и дырки, возникающие при облучении, мгновенно распределяются по своим областям. Быстродействие резко возрастает и граничная частота f_гр достигает порядка 10⁹…10¹⁰ Гц. Длина поглощения кремния при длине волны 0,8 мкм примерно 10…20 мкм. Рабочее напряжение, при котором обедненный слой имеет требуемую протяженность, не превышает 10…20 В.

Другой разновидностью быстродействующих фотодиодов являются лавинные. Упрощенная структура и конструкция такого фотодиода приведена на рис. 1.13. В таком фотодиоде излучение Ф также поглощается в обедненном слое.

Рис. 1.13

Для создания условий возникновения ударной ионизации, вызывающей лавинное размножение зарядов фотовозбужденными носителями, рядом с p-n переходом формируют область с высокой напряженностью электрического поля (Е = 10⁵ В/см). Подбором внешнего напряжения и параметров цепи добиваются, чтобы лавинный процесс происходил только при световом потоке. Воспринимаемое фотодиодом излучение приводит к резкому увеличению фототока. Его величина характеризуется коэффициентом лавинного умножения М = I_ф / I_ф0, где I_ф полное значение фототока, а I_ф0 начальное значение тока, обусловленное генерацией носителей в основном теплового происхождения. Коэффициент лавинного умножения М достигает десятков тысяч единиц. При обратном напряжении порядка 100…150 В быстродействие лавинного фотодиода примерно составляет 0,3 нс. Быстродействие ограничивается временем пробега возбужденного носителя и постоянной времени τ = R_нC, где R_н сопротивление нагрузки, а С емкость диода. При ширине обедненного слоя, равной 100 мкм, и скорости носителей заряда 10⁷ см/с время пробега составит 1 нс. При меньшей ширине емкость диода примерно будет равна 1…2 пФ и при R_н = 50 Ом постоянная времени τ = 0,05…0,1 нс.

Фотодиоды, изготовленные на основе кремния (Si) работают в диапазоне длин волн 0,5…1,1 мкм, а на основе германия (Ge) – 0,5…1,9 мкм. Граничная частота лавинных фотодиодных приемников достигает 10¹¹…10¹² Гц. Некоторые варианты схем включения фотодиодов и небольшие комментарии к ним приводятся ниже. На рис. 1.14, а представлена схема управления состоянием лампочки НL1. В отсутствие светового потока VD1 обладает большим сопротивлением и транзистор VT1 заперт напряжением смещения. При облучении VD1 его сопротивление снижается, потенциал базы возрастает, транзистор VТ1 открывается, обеспечивая загорание лампочки. На рис. 1. 14,б устройством с составным транзистором управляет реле, обмотка "К" которого включена в коллекторную цепь. При облучении фотодиода фототок поступает в базу составного транзистора, где и увеличивается до величины достаточной, чтобы обмотка реле изменила состояние контакта К1 реле. Составной транзистор, обладая большим коэффициентом β_сост передачи тока базы (единицы – десятки тысяч), создает большой ток коллектора I_к = β_сост∙ I_ф.

а) б)

Рис. 1.14

Фототранзисторы в отличие от диодов (кроме лавинных) не только генерируют носителей зарядов, но и усиливают фототок. Прин­ци­пиальное устройство фототранзистора показано на рис. 1.15.

Рис. 1.15

К эмиттерному переходу подключается прямое напряжение, а к коллекторному – обратное. База остается свободной. Под действием фотона генерируемые в электронно-дырочных переходах носители зарядов распределяются: дырки собираются в базе, а электроны переходят в эмиттер или коллектор. Положительный потенциал базы возрастает, что вызывает инжекцию электронов из эмиттера в базу, тем самым увеличивая фототок. Для улучшения диаграммы направленности излучения многие транзисторы оснащены микролинзой.

Фототранзисторы к усилительным устройствам подключаются аналогично фотодиодам (рис. 1.15).

а) б)

Рис. 1.15

Биполярный фототранзистор обладает наибольшей чувствительностью при облучении базовой области при включении по схеме с общим эмиттером и отключенной базе. Поскольку ток фототранзистора в десятки раз больше тока фотодиода при одинаковой интенсивности облучения, то число каскадов усиления требуется значительно меньше и нагрузку можно включать, как показано на рис. 1.15,а, в цепь эмиттера. Ток нагрузки определяется I_э = I_ф (β + 1), где β – коэффициент передачи тока базы транзистора VT2.

Наличие вывода базы у фототранзистора позволяет использовать не только оптическое, но и электрическое управление фототранзистором (рис. 1.15,б). В отсутствие светового потока резистор R_Б фиксирует напряжение смещения на базе за счет протекания обратного тока коллекторного перехода. Ток коллектора близок к нулю, а напряжение на выходе практически равно +U_пит.

Фототиристоры представляют еще одну разновидность фотоприборов. Их выгодно использовать в качестве бесконтактного выключателя при оптическом управлении мощными электрическими цепями постоянного и переменного токов. Фототиристор имеет структуру, сходную с обычным тиристором. Отличительной особенностью структуры и конструкции фототиристора является возможность облучения световым потоком одной из базовых областей (рис. 1.16). Этот прибор обычно работает в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Кроме того, время отклика на облучение светом менее 1 мкс, что позволяет использовать его в быстродействующих системах.

Рис. 1.23

При положительном потенциале на аноде и отрицательном на катоде переходы П1 и П3 прямосмещены, а П2 обратносмещен. При отсутствии облучения и тока в управляющем электроде (УЭ) фототиристор практически закрыт и ток через него не идет. Когда на переход П2 попадает световой поток, в нем возникают электронно-дырочные пары. Носители, генерируемые на расстоянии диффузионной длины от p-n перехода, разделяются электрическим полем и создают фототок. Фототиристор переходит во включенное состояние. Электрический ток быстро растет до значения, определяемого сопротивлением R_н внешней цепи. После прекращения облучения фототиристор остается во включенном состоянии. Чтобы вернуть его в выключенное состояние следует снизить приложенное напряжение. В цепях переменного тока это делается автоматически по достижении определенной величины.

При переходе из закрытого состояния в открытое сопротивление фототиристора и ток через него меняется примерно в 10⁶ …10⁷ раз: сопротивление от 10⁸ Ом в закрытом состоянии до 10^–1 Ом в открытом и соответственно ток от 10^–6 А в закрытом состоянии до 10^–1…1 А в открытом. Приведенные выше показатели изменения параметров фототиристора свидетельствуют о его весьма высоком коэффициенте усиления по току и по мощности.

Необходимо обратить внимание на особенности применения фотоприборов дискретного исполнения. В высокочувствительной аппаратуре фотодиоды рекомендуется использовать в фотогальваническом режиме, так как в этом случае уровень шумов ниже.

Применение фотоприборов в схемах автоматики.

Преобразование угол-код. Простым преобразователем угла поворота в последовательность импульсов может служить устройство, представленное на рис. 1.24,а.

а) б)

Рис. 1.24

На валу вдоль его образующих наносят чередующиеся темные и светлые полосы, на которые падает световой поток от светодиода HL1. Отраженные световые импульсы принимаются и преобразуются фототранзистором VT1. Каждому повороту вала на определенный угол в единицу времени соответствует своя кодовая комбинация. Поскольку частота импульсов, возникающих при вращении вала, пропорциональна круговой частоте вала, то подсчет импульсов позволяет измерить число оборотов вала в единицу времени.

Тахометр (рис. 1.24,б), выполненный на базе сочетания излучателя и приемника, дает аналогичный способ измерения числа оборотов вала двигателя автомобиля. На вращающемся диске имеется выступ, который при каждом повороте диска прерывает инфракрасное излучение. Фотоприемник улавливает каждый момент отсутствия сигнала и передает информацию в форме импульса к счетчику, регистрирующему число оборотов.

Большое применение фоточувствительные приборы находят в системах дистанционного управления. Функции передатчика сигналов выполняет инфракрасный светодиод, излучающий кодированную последовательность световых импульсов. Приемником излучения может служить любой из рассмотренных выше фоточувствительных приборов. Воспринятый сигнал после дешифрования и усиления поступает на исполнительные органы, выполняющие различные возложенные на них функции. Примером такого устройства может служить система дистанционного запирания и отпирания дверей автомобиля, отпирания багажника, запуска двигателя и т.п. Подобная система широко используется для управления многочисленными функциями телевизора.

Оптоэлектронная система дистанционного управления может регулировать скорость, изменять направление движения управляемых объектов, подавать другие необходимые команды. По сравнению с управлением по радиоканалу оптоэлектронные системы имеют некоторые преимущества, и прежде всего, простоту её практического выполнения. Система в инфракрасном диапазоне излучения успешно работает при любом освещении и без него, обеспечивая необходимую для практических целей дальность действия.

Оптрон – функционально и конструктивно законченное устройство, объединяющее в одном корпусе излучатель и приемник оптического диапазона. Большинство оптронов, используемых в настоящее время, представляют сочетание светодиод – фотодиод (фототранзистор или фототиристор). Для защиты от внешнего излучения оптическая пара помещается в непрозрачный (чаще в металлический) корпус. Очевидным преимуществом оптронов является то обстоятельство, что при изготовлении оптимально подбираются характеристики излучателя и приемника и их взаимное расположение.

Оптроны имеют множество целей и сфер применения, но отметим те, где наиболее ярко проявляются их особенности:

– для гальванической развязки цепей управления и выходной цепи;

– для сопряжения микросхем, имеющих различные значения логических уровней;

– для бесконтактного управления сильноточными и высоковольтными установками;

– в быстродействующих цифровых интерфейсах, таких, как системные интерфейсы компьютеров, и в периферийных блоках памяти;

– в устройствах автоматического управления объектами различного назначения.

Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих вышесказанное.

На рис.1.25 приведена схема гальванической развязки двух блоков с помощью диодного оптрона АОД. Фотодиод в данном случае работает в режиме фотопреобразователя.

Рис. 1.25

Оптопары применяются в системах связи, повышая их помехоустойчивость и обеспечивая эффективную развязку по цепям питания и общей шины. Широкое применение оптопары находят в цепях сопряжения вычислительной и измерительной аппаратуры, в устройствах автоматики, особенно когда датчики или приемники работают в условиях опасных или недоступных человеку. Примером обязательной гальванической развязки служит применение оптопар в медицинской диагностической аппаратуре, когда датчик располагается на теле пациента, а измерительный блок, преобразующий и усиливающий сигналы датчика, питается от сети.

На рис. 1.26 приведена схема связи разных микросхем с помощью оптоэлектронного переключателя, в качестве которого используется микросхема К249ЛП1.

С помощью оптронов решаются вопросы согласования цифровых микросхем разного вида логики (ТТЛ, ЭСТЛ, КМОП).

Рис. 1.26

Пример согласования микросхем ТТЛ и МДП с помощью транзисторной оптопары приведен на рис. 1.27.

Рис.1.27

Контрольные вопросы

1. В чем заключается эффект Холла?

2. От чего и как зависит возникающая ЭДС Холла?

3. Где применяются датчики Холла?

4. Перечислите достоинства и недостатки датчиков Холла.

5. В чем заключается пьезоэффект?

6. Каков смысл прямого и обратного пьезоэффектов?

7. Какие оси симметрии различают в кварцевом параллелепипеде?

8. Что такое продольный и поперечный эффект?

9. От чего зависит заряд, возникающий на гранях кварцевой пластины?

10. Какие особенности имеют пьезодатчики, определяющие их эксплуатацию?

11. Для измерения каких физических величин используются

пьезодатчики?

12. Приведите примеры принципиальных конструкций датчиков для

измерения положения объекта, ускорения, давления, усилия.

13. Каков примерный диапазон измерений пьезодатчиками ускорения,

давления, усилия?

14. На каком принципе работают ультразвуковые приборы?

15. Каков диапазон частот и длин волн колебаний используется в

ультразвуковых датчиках?

16. По каким параметрам и характеристикам оцениваются свойства

ультразвуковых датчиков?

17. Каковы области применения ультразвуковых датчиков?

18. Какова примерная точность ультразвуковых датчиков?

19. Каков диапазон длин волн, в котором работают

фотоэлектрические приборы?

20. Перечислите характеристики и параметры фотоприборов и дайте

им определение.

21. Каков принцип устройства и работы фотодиода? В каких режимах

он может работать?

22. Чем отличаются p-i-n и лавинные фотодиоды от обычных

фотодиодов с p-n переходом?

23. Как устроен и работает фототранзистор?

24. Какие функции выполняет электрод базы в фототранзисторе?

25. Как устроен и работает фототиристор?

26. Приведите примеры схем включения фототиристоров?

27. Как можно использовать фотоприборы для создания

преобразователя угол-код; изготовления тахометра?

28. Что такое оптрон? Как классифицируются оптроны?

29. Перечислите возможные области применения оптронов.

Литература к главе 1

1. Автомобильный справочник: Перевод с англ. – М.: За рулем, 1999. –

896 с. – 1-е рус. изд.

2. Архипов C. Применение твердотельных оптоэлектронных реле

средней мощности // Радио. – 2003. – № 1. – С. 42-45.

3. Виноградов Ю. Инфракрасный датчик присутствия // Радио. – 2002.

№ 1.

4. Данов Б.А. Управление моментом зажигания на автомобиле. – М:

Транспорт, 2002.

5. Иванов В. И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник.– М.: Энергоатомиздат, 1988. – 448 с.: ил.

6. Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение. Справочник. – М.: Радио и связь, 1995. – 120 с.: ил.

7. Ладик А.И. и др. Изделия электронной техники.

Пьезоэлектрические и электромеханические приборы: Справочное

издание. – М.: Радио и связь, 1993.

11. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. – М.: Радио и связь, 1989. – 360 с.: ил.

12. Оптоэлектронные элементы и устройства / Под ред. В.П. Гуляева. – М.: Радио и связь, 1998. – 336 с.: ил.

13. Пьезоэлектроника / А.А. Ерофеев, А.И. Проклин и др. – М.: Радио и связь, 1994.

14. Рысин В., Филь В., Шоферистов С. Магнитоуправляемые ИС на

основе кремниевых датчиков Холла // Электронные компоненты. –

2000. № 1. – С. 20–22.

15. Справочник по приемникам оптического излучения / Под ред.

Л.З. Криксунова и Л.С. Кременчугского. – Киев: Технiка, 1985. –

216 с.: ил.

16. Шурыгин М. Датчики положения на основе эффекта Холла

/ Электронные компоненты. – 2000. – № 1. – С. 23–24.

17. Электроника. Энциклопедический словарь / Под ред. Колесникова.

– М.: Советская энциклопедия, 1991. – 688 с.: ил.

1⁾ пьеза [от греч. piézō – давлю, сжимаю]

1) детонация [лат. detonare – прогреметь] – чрезмерно быстрое, неправильное сгорание топлива в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, сопровождающееся неустойчивой работой, металлическим стуком в цилиндре, неполным сгоранием топлива.

2) компаунд [англ. compound – составной, смешанный] – изоляционный материал, применяемый в электротехнике с целью герметизации электрических выводов и других элементов.

1) h = 6,625·10 ^–27 эрг· с

2) эВ = 1,60219·10^–19 Дж

Дата добавления: 2014-01-07