Фотоэлектрические приемники излучения, принцип работы, типы

Пьезоэлектрические преобразователи

Пьезоэлектрическими называются кристаллы и текстуры, электризующиеся под действием механических напряжений (прямой пьезоэффект) и деформирующиеся в электрическом поле (обратный пьезоэффект). Особенностью пьезоэффекта является знакочувствительность, т. е. изменение знака заряда при замене сжатия рас­тяжением и изменение знака деформации при изменении направле­ния поля.

Пироэлектрики представляют собой особую разновидность пьезоэлектриче­ских кристаллов и отличаются от соб­ственно пьезоэлектриков тем, что их ячейка имеет одно или несколько взаим­но неуравновешенных полярных на­правлений. Благодаря этому указанная кристаллов поляризуется при всестороннем гидростатитепловом расширении, откуда и происходит название «пироэлектрики». Типичным представителем пироэлектриков является турмалин.

Сегнетоэлектрики входят в группу пироэлектрических кристал­лов. Характерным отличием сегнетоэлектриков является то, что их кристалл разбит на домены, в пределах которых существует упорядоченная структура и свое полярное направление. Однако полярные направления доменов ориентированы по-разному. Такое строение подобно строению ферромагнетиков, поэтому сегнетоэлек-трические материалы называют также ферроэлектрическими. Сегнетоэлектрикам присуща нелинейная зависимость плот­ности поляризованных зарядов от внешних воздействий (механи­ческие напряжения, температура и т. д.) и гистерезис.

Сегнетоэлектрические пьезокерамики представляют собой про­дукт отжига спрессованной смеси, состоящей из мелкораздроб­ленного сегнетоэлектрического кристалла с присадками. Пьезоэлек­трические свойства они приобретают после поляризации в сильном электрическом поле, направление которого и определяет поляр­ный вектор пьезокерамики (направление поляризации в пьезокерамике обычно обозначают осью Z). В настоящее время сырьем для производства пьезокерамики наряду с титанатом бария с точ­кой Кюри +120° С служат титанат свинца РЬТi3 с точкой Кюри около +500 °С и цирконат свинца PbZrO3 с точкой Кюри примерно +230 °С. Наилучшие результаты получаются при использовании смесей этих материалов — так называемых цирконато-титанатов свинца (керамики типа ЦТС), которые получили сейчас самое широ­кое распространение, так как, обладая такой же чувствитель­ностью, как и ВаТiO3, они обеспечивают работу преобразователя в температурном диапазоне до 200—250 °С.

Параметры излучения, преобразуя модулированное по интенсивности световое излучение в электрический сигнал, осуществляют детектирование света. Основными параметрами приемников являются чувствительность, темновой ток и порог чувствительности. Параметры определяются при заданных источнике излучения (обычно монохроматическом), электрическом режиме и температуре.

Чувствительность представляет собой отношение изменения электрической величины на выходе приемника, вызванного падающим на него излучением, к количественной характеристике этого излучения, представленной любой энергетической или фотометрической величиной. Чувствительность S_λ имеет размерность А/Вт. Где, Δ I - приращение фототока; Δ P _λ- изменение плотности монохроматического потока.

Темновым током называют постоянный ток, протекающий через приемник в отсутствие действия светового потока в диапазоне спектральной чувствительности. Темновой ток является одним из источников шума.

Порог чувствительности определяется как среднеквадратическое значение первой гармоники действующего на приемник модулированного потока излучения источника фотосигнала, при котором среднеквадратическое значение первой гармоники напряжения (тока) фотосигнала равно среднеквадратическому значению напряжения (тока) шума, приведенному к единичной полосе на частоте модуляции потока излучения. Где, Δ P- порог чувствительности; m-число, в которое сигнал фотоприемника превышает уровень шума; S-чувствительность; u²_ш - уровень шума, заданный как дисперсия.

Вольт-амперная характеристика строится для заданных входной мощности температуры. Остальные характеристики соответствуют указанному электрическому режиму и постоянной температуре. Спектральная характеристика отражает зависимость монохроматической чувствительности от длины волны регистрируемого потока излучения. Она может быть абсолютной и относительной. В первом случае по оси ординат откладывается абсолютная величина чувствительности (например, в А/Вт), во втором – относительная величина, отнесенная к максимуму спектральной чувствительности. Энергетической характеристикой называют зависимость фототока от входной мощности оптического излучения.

Частотная характеристика представляет собой зависимость чувствительности от частоты гармонической модуляции потока излучения. Переходная нормированная характеристика определяется под действием импульса оптического излучения в форме единичной ступени. Это – зависимость от времени отношения фототока, описывающего реакцию приемника установившемуся значению фототока. Переходная характеристика может быть прямой и обратной. Первая соответствует ступеньке появления излучения, вторая – прекращению излучения.

Энергетическая, частотная и переходная характеристики определяются для источника с заданной длиной волны. По этим характеристикам находят параметры, описывающие частотные и импульсные свойства прибора: предельную частоту, время нарастания и спада.

Фотоэлектрические приемники излучения используют внешний и внутренний фотоэффекты. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом -это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Принцип действия этих фотоэлементов заключается в том, что кванты света, достигая поверхности фотокатода, выбивают электроны, которые увлекаются внешним электрическим

полем и создают фототок.Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом – это фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.

24 Фототранзисторы, принцип работы, характеристики.

Фотодиоды (ФД) и фототранзисторы (ФТ) относятся к группе полупроводниковых фотоприемников. В фототранзисторе совмещены фотодиод и усилитель фототока. ФД могут работать в двух режимах – фотогенераторном (вентильном) и фотодиодном. В фотогенераторном режиме источник внешнего напряжения отсутствует. В фотодиодном режиме к ФД приложено запирающее напряжение. При отсутствии облучения под действием этого напряжения проходит лишь небольшой темновой ток, а при освещении p-n- пере

хода ток увеличивается в зависимости от интенсивности облучения.

На рисунке а) показаны световые характеристики ФД, на рисунке б) – вольтамперные характеристики ФД, там же проведены прямые, соответствующинагрузочным характеристикам ФД в генераторном режиме при большом (прямая 1) и малом (прямая 2) сопротивлениям нагрузки и в фотодиодном режиме (прямая 3). Из приведенных характеристик очевидно, что фотодиодный режим характеризуется наличием темнового тока, возрастающего при увеличении приложенного напряжения.

В фотодиодном режиме ФД может рассматриваться как резистор и включается в схемы делителей (а) или мостовые измерительные цепи (б), позволяющие в известной степени уменьшить влияние дрейфа темнового тока. ФД по напряжению хорошо согласуются с полупроводниковыми электронными элементами, поэтому используются обычно в схемах совместно с операционными усилителями (в).

Дата добавления: 2015-03-29