Принцип действия и основные типы преобразователей.

Фотоэлектрический преобразователь представляет собой фотоэлектронный прибор (фотоэлемент), используемый в качестве измерительного преобразователя. Имеются три типа преобразователей: преобразователи с внешним фотоэффектом, с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи. Наибольшее применение нашли преобразователи двух последних типов.

К преобразователям с внешним фотоэффектом относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители.

Вакуумные фотоэлементы состоят из вакуумированной стеклянной колбы, содержащей два электрода: анод и катод. При освещении фотокатода под влиянием фотонов света он эмитирует электроны. Если между анодом и фотокатодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток; поскольку он вызван фотонами, его называют фототоком. Для фотоэмиссии электронов необходимо, чтобы энергия фотона Е =vh, где v — частота света; h — постоянная Планка, была больше работы выхода электронов Ф, характерной для данного материала фотокатода. Частота v_гр = Ф/h называется красной границей фотоэффекта, а соответствующая ее длина волны λ _гр = c/v_гр где с - скорость света, — длинноволновым порогом фотоэффекта. Если λ > λ _гр то никакая интенсивность света не может вызвать фотоэффект.

Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое заполнение. Благодаря ионизации газа происходит усиление тока фотоэмиссии. Чувствительность газонаполненных фотоэлектрических преобразователей выше, чем у вакуумных.

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) —это вакуумный фотоэлемент, снабженный системой электродов для усиления тока фотоэмиссии. Принципиальная схема ФЭУ показана на рис. 1.

Свет падает на фотокатод ФК, который эмитирует электроны. Поток электронов фокусируется электрическим полем, создаваемым электродом Э, формируется диафрагмой Д и направляется на ускоряющий электрод— динод Э₁. Напряжение на диноде таково, чтобы энергии фотоэлектрона было достаточно для вторичной эмиссии электронов. Режим работы таков, что при вторичной эмиссии испускается больше электронов, чем падает на динод. Так происходит усиление потока электронов. Поток электронов, усиленный динодом Э_1; направляется на следующие диноды Э₂ —Э₅, усиливается и собирается анодом А. Анодный ток ФЭУ довольно мал и требует дополнительного усиления. Для этого он преобразуется в напряжение с помощью сопротивления R_H. Питание ФЭУ производится с помощью делителя напряжения R₁ —R₈ Фотоэлектронные умножители имеют высокую чувствительность и используются для измерения очень малых световых потоков (до 10^-5 лк).

Чувствительный элемент преобразователей с внутренним фотоэф­фектом (фоторезисторов) выполнен в виде пластинки, на которую нанесен слой полупроводникового фоточувствительного материала. В качестве фоточувствительного материала обычно используется сернистый кадмий, селенистый кадмий или сернистый свинец.

Электропроводность полупроводниковых материалов обусловлена возбуждением электронов в валентной зоне и примесных уровнях. При возбуждении электроны переходят в зону проводимости; в валентной зоне появляются дырки. При освещении возбуждение электронов увеличивается, что вызывает увеличение электропроводности. Красная граница фоторезисторов находится в инфракрасной области, например, для сернисто-свинцовых λ гр = 2, 7 мкм. При небольших освещенностях преобразователя число возбужденных светом электронов пропорционально освещенности, его электрическая проводимость

где Iф — фототок; U — напряжение, приложенное к преобразователю, также пропорционально освещенности.

При больших освещенностях пропорциональность нарушается. Чувствительность фоторезисторов определяется кратностью изменения их сопротивления. Для некоторых типов она достигает значения

где R_T — темновое сопротивление, т. е. сопротивление неосвещенного преобразователя; R₂₀₀ - сопротивление при Е = 200 лк.

Фоторезисторы имеют высокую чувствительность. Однако их сопротивление зависит от температуры подобно сопротивлению термисторов. Главным достоинством фоторезисторов является простота их устройства и низкая стоимость, главным недостатком - заметная инерционность (по сравнению с другими фотоэлектрическими преобразователями) и температурная (для уменьшения температурной погрешности они включают­ся в смежные плечи моста) и временная нестабильность. Вариантыконструктивного выполнения фоторезисторов - герметизированный металлостеклянный корпус, пластмассовый корпус, бескорпусное исполнение.

Фотогальванические преобразователи представляют собой фото­электронные приборы с p-n-переходом: фотодиоды и фототранзисторы. При освещении перехода создается дополнительная концентрация носителей в п-слое. Это приводит к усилению их диффузии к р-n -переходу и в самом переходе.

Фотодиоды могут работать в фотодиодном и генераторном (вен­тильном) режимах. В фотодиодном режиме преобразователь подключают к запирающему напряжению (рис. 2а), При увеличении его освещенности возрастает обратный ток, что приводит к увеличению напряжения U_н на сопротивлении R_H. Зависимость тока фотодиода от освещенности практически линейна. Внутреннее дифференциальное сопротивление фотодиода имеет величину порядка мегаомов, поэтому обычно они работают в режиме, близком к короткому замыканию.

В генераторном режиме фотодиод включают по схеме, приведенной на рис. 2 б, и он сам является источником тока.

Структура и конструкция фотодиода представлена на рис. 3 Существуют важные разновидности фотодиодов: p-i-n диоды - а, ла­винные - б, гетерофотодиоды - в (рис. 4).

В p-i-n имеются три области - сильнолегированная п⁺-область, область с малой концентрацией примеси (i-область) и сильнолегированная р⁺-область.

В лавинных фотодиодах реализуется усиление тока, обуслов­ленное умножением числа носителей за счет ионизации атомов кристалли­ческой решетки.

Гетерофотодиоды используют слоистую структуру из разных полу­проводниковых материалов.

Преимущество этих трех реализаций состоит в том, что достигается высокая чувствительность при высоком быстродействии.

Лавинные фотодиоды на основе кремния обладают внутренним уси-лением до 10, высокой чувствительностью до 1 А/Вт на длине волны λ = 0, 9 мкм, малой инерционностью - до 0, 5 нc, низким порогом - до 10^-15Вт/Гц^1/2.

Биполярный фототранзистор имеет два р-n перехода.

Фотовоспринимающей частью является освещаемая часть перехода база - коллектор (рис. 5). Следует только иметь в виду, что во столько же раз, во столько фоторезистор усиливает фототок и во сколько увеличивается интегральная чувствительность по сравнению с аналогичным фотодиодом, Уменьшается предельная частота, т.е. произведение коэффициента усиления на ширину полосы остается неизменным и соответствует этой величине для фотодиода.

Структура полевого фототранзистора представлена на рис.6. Такие транзисторы характеризуются высоким входным сопротивлением (до-10 Ом) и имеют хорошие пороговые характеристики, высокое быстродействие (вследствие отсутствия инжекции и диффузионной емкости на входе)

Эти фототранзисторы имеют лучшую температурную стабильность и повышенную радиационную стойкость по сравнению с биполярными фо­тотранзисторами. Фототранзисторы имеют металлостеклянный корпус с входным окном базы.

B тепловых фотоприемниках энергия оптического излучения преоб­разуется в тепловую при ее поглощении приемной площадкой. Приемная площадка покрывается высокопоглощающим покрытием с коэффициентом черноты более 0, 9. Такие покрытия не селективны и поглощают инте­гральный тепловой поток во всем диапазоне длин волн падающего излуче­ния. Приемная площадка изолируется от конструкции фотоприемника, благодаря чему по изменению температуры нагрева площадки можно судить о величине падающего потока излучения.

По способу изменения температуры приемника тепловые фотопри­емники подразделяются на термоэлектрические, болометрические, пиро­электрические.

Преобразователи оптического изображения: конструкция, принцип работы.

Видикон применяется для преобразования оптического изображения в электрические сигналы в телевизионных передающих устройствах (телекамерах). Видикон позволил достичь хороших характеристик передаваемых изображений, по сравнению с ранними типами преобразоватлей. Но в современных устройствах видикон уже используется реже. В теле- и видеокамерах с успехом используется другой тип фотопреобразователей — ПЗС-матрицы, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с видиконом.