Фотоэлектрические и излучательные приборы Излучательная генерация и рекомбинация носителей заряда в полупроводниках под действием излучения E Зона проводимости Запрещенная зона hv Eg Валентная зона Излучение при рекомбинации При переходе свободного электрона из зоны проводимости в ва лентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда – свобод ного электрона и дырки, выделяется энергия такая же, какая была ранее затрачена на переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. В данном случае энергия выделяется в виде фотона (т. е. кванта света).
Фотосопротивления, Ф 3 2 1 а Rн Uвых Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой задачи. Так, для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, Pb. Se, Pb. Te, In. Sb, In. As, Hg. Cd. Te, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус. Е б Устройство и схема включения фоторезистора I I Ф= const а U = const U б Ф Вольт-амперная (а) и энергетическая (б) характеристики фоторезистора Важнейшие параметры фоторезисторов: интегральная чувствительность — отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении напряжения питания); порог чувствительности — величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот.
Фотодиоды n p Разделение возбужденных светом носителей полем p–n-перехода Принцип действия фотодиода основан на возникновении ЭДС под действием света Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р–n переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p n структуре. При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p n перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n области возникают электронно дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей в глубь n области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p –n перехода, причем дырки переходят в p область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p–n перехода и n области. Таким образом, ток через p–n переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком.
Фотодиоды 400 Еф, мк. В 300 200 100 0, 2 0, 4 0, 6 0, 8 Ф, лм Зависимость фото. ЭДС от светового потока Фотоносители – дырки заряжают p область положительно относительно n области, а фотоносители – электроны – n область отрицательно по отношению к p области. Возникающая разность потенциалов называется фото. ЭДС Eф. Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду, причем его величина тем больше, чем больше освещенность. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя). Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 к. Вт/м 2, соответственно.
Фотодиоды При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. б). Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода. Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10 30 мк. А, у кремниевых 1 3 мк. А. Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут. Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104 – 106 раз). Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.
Фототранзисторы К р Rн Ф Б n Отличается от обычного биполярного транзистора тем, что область базы доступна для светового облучения, за счёт чего появляется возможность управлять усилением электрического тока с помощью оптического излучения. iк – Е + р Э Структура и схема включения фототранзистора со «свободной» базой Ф 3 > Ф 2 > Ф 1 > 0 Ф=0 Uкэ Выходные характеристики фототранзистора При освещении фототранзистора в его базе генерируется электронно дырочные пары. Неосновные носители зарядов переходят в область коллектора и частично в область эмиттера. При этом потенциалы эмиттера и коллектора относительно базы изменяются. Эмиттерный переход смещается в прямом направлении, и даже небольшое изменение его потенциала вызывает большое изменение тока коллектора, то есть фототранзистор является усилителем. Ток коллектора освещенного фототранзистора оказывается достаточно большим — отношение светового потока к темновому велико (несколько сотен). Фототранзисторы обладают значительной большей, чем фотодиоды, чувствительностью — порядка сотни миллиампер на люмен. Биполярный фототранзистор подобен обычному биполярному транзистору, между выводами коллектора и базы которого включен фотодиод. Таким образом, ток фотодиода оказывается током фототранзистора и создает усиленный в n раз ток в цепи коллектора. Если на фототранзистор подается только электрический сигнал, его параметры почти не отличаются от параметров обычного транзистора.
Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение В качестве управляющего сигнала используется свет Ф p 1 n 1 П 1 i Rн П 2 n 2 Ф 3 > Ф 2 П 3 Ф 2 > 0 0 Ф 1 = p 2 – E + Структура и схема включения фототиристора Uвкл 3 Uвкл 2 Uвкл 1 U . Вольт-амперная характеристика фототиристора
Оптроны: характеристики, параметры, применение 1 2 3 Оптопары с открытым оптическим каналом: 1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект Различные типы оптопар Оптопара или оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фототиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.
Оптроны: характеристики, параметры, применение 1 2 3 Оптопары с открытым оптическим каналом: 1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект Различные типы оптопар Классификация По степени интеграции оптопары (или элементарные оптроны) — состоящие из двух и более элементов (в т. ч. собранные в одном корпусе) оптоэлектронные интегральные схемы, содержащие одну или несколько оптопар (с дополнительными компонентами, например, усилителями, или без них). По типу оптического канала с открытым оптическим каналом с закрытым оптическим каналом По типу фотоприёмника с фоторезистором (резисторные оптопары) с фотодиодом с биполярным (обычным или составным) фототранзистором с фотогальваническим генератором (солнечной батарейкой); такие оптроны обычно снабжаются обычным полевым транзистором, затвором которого управляет фотогальванический генератор. с фототиристором или фотосимистором.
Оптроны: характеристики, параметры, применение 1 2 3 Оптопары с открытым оптическим каналом: 1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект Различные типы оптопар Области применения: Механическое воздействие Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия (перекрытия) используются как датчики во всевозможных детекторах наличия (например, детектор бумаги в принтере), датчиках конца (или начала), счётчиках и дискретных спидометрах на их базе (например, координатные счётчики в механической мыши, анемометры). Гальваническая развязка Оптроны используются для гальванической развязки цепей — передачи сигнала без передачи напряжения, для бесконтактного управления и защиты. Некоторые стандартные электрические интерфейсы предписывают обязательную оптронную развязку. Различают два основных типа оптронов, предназначенных для использования в цепях гальванической развязки: оптопары и оптореле. Основное отличие между ними в том, что оптопары, как правило, используются для передачи информации, а оптореле используется для коммутации сигнальных или силовых цепей.
Оптроны: характеристики, параметры, применение 1 2 3 Оптопары с открытым оптическим каналом: 1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект Различные типы оптопар Характеристики оптопар: Электрическая прочность (допустимое напряжение между входной и выходной цепями) зависит от конструктивного оформления прибора. Оптопары гальванической развязки выпускаются в корпусах DIP, SOP, SSOP, Mini flat lead. Для каждого типа корпусов характерны свои напряжения изоляции. Для того, чтобы обеспечить большие пробивные напряжения, необходимо, чтобы конструкция оптопары имела как можно большие расстояния не только между светодиодом и фотоприемником, но так же как можно большие расстояния по внутренней и по внешней стороне корпуса.
Скачать презентацию Фотоэлектрические и излучательные приборы Излучательная генерация и рекомбинация
Фотоэлектрические приборы.ppt