Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Приемники излучения. Классификация

Содержание

1.Введение

2.Приемники излучения. Классификация

3.Полупроводниковые приемники излучения

4.Полупроводниковый фотодод

5.Фоторезисторы

5.1.Характеристики фоторезисторов

5.2.Параметры фоторезисторов.

6.Фотоэлектрические приемники излучения

7.Заключение

8.Литература

1.Введение

Приемник излучения является основным элементом оптико-электронного прибора. По существу, само название приборов -- оптико-электронные--обязано свойству приемника преобразовывать поток излучения в электрический сигнал.

Существуют различные определения приемника излучения, однако все они отражают главное свойство приемника - способность обнаруживать наличие излучения путем преобразования его в энергию других видов для последующей регистрации. В иностранной технической литературе это свойство приемника излучения находит выражение в названии - детектор, т. е. обнаружитель.

Таким образом, приемник излучения представляет собой устройство, служащее для восприятия энергии излучения и преобразования ее в энергию других видов с целью последующей регистрации результата этого преобразования, приводящей к обнаружению. Процесс обнаружения излучения состоит из двух основных этапов: преобразования энергии оптического излучения в другой вид энергии и регистрации преобразованной энергии. Например, в термоэлементе поток излучения вызывает появление электродвижущей силы, которая регистрируется обычным образом (гальванометром); в эвапорографе энергия излучения поглощается и вызывает нагрев и испарение масляной пленки, изменение толщины которой регистрируется интерференционными методами и т. д.[3]

2. Приемники излучения. Классификация

Приемники излучения -это устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения (в диапазоне от рентгеновских лучей с длиной волны l = 10-9см до радиоволн с l = 10-1см) в сигналы др. физической природы с целью их обнаружения и использования (изучения) информации, которую они несут. Приемники излучения часто являются одними из основных узлов автоматических приборов и систем управления. Они играют важную роль в научных исследованиях. Преобразование сигналов в приемниках излучения осуществляется в процессе взаимодействия поля электромагнитного излучения с тем или иным веществом; поле изменяет энергетические состояния электронов, атомов или молекул вещества, и эти изменения регистрируются.

Самую обширную группу составляют П. и. из чувствительного к излучению твёрдого вещества. К ним относятся болометры, у которых при поглощении излучения меняется сопротивление электрическому току; термоэлементы ,реакция которых на нагрев излучением состоит в появлении термо-эдс; пироэлектрические приемники излучения, изготовляемые из кристаллов сегнетоэлектриков— при взаимодействии с излучением на их поверхности появляется статический электрический заряд. Все эти приемники излучения относятся к тепловым приемникам излучения, т.к. в механизме преобразования энергии в них основную роль играет нагрев вещества излучением. Они применяются во всей рассматриваемой области спектра.

В фотоэлектрических приемниках излучения излучение непосредственно воздействует на электроны. В далёком ИК и диапазонах применяют п. и., в которых фотоны не изменяют концентрацию электронов проводимости в твёрдом теле, а либо изменяют их подвижность , либо оказывают давление на электроны путём передачи им импульса (эффект увлечения электронов фотонами,).Фотоэлектрические приемники излучения для диапазона 5—1000 мкм требуют охлаждения до 4—77 К, причём их рабочая температура должна быть тем ниже, чем больше длина волны регистрируемого излучения. При низких рабочих температурах для приёма излучения используется также явление сверхпроводимости и связанные с ним эффекты.

Приемники излучения могут классифицироваться по следующим признакам: виду энергии, в которую преобразуется излучение; характеру изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения; области спектра, где они наиболее чувствительны и находят наибольшее применение; рабочей температуре чувствительного слоя.

По виду энергии, в которую преобразуется излучение, приемники излучения делятся на тепловые, фотоэлектрические или фотонные, люминесцентные, фотохимические.

В тепловых приемниках энергия излучения преобразуется в теплоту, а регистрация преобразования сводится к измерению приращения температуры приемной площадки, нагретой вследствие облучения. Способ регистрации изменения температуры определяет конкретный тип теплового приемника излучения.

В термоэлементе изменение температуры приемной площадки вызывает появление электродвижущей силы в контуре, образованном двумя спаянными или сваренными проводниками из различных металлов.

В болометре изменение температуры вызывает изменение электрического сопротивления проводника или полупроводника.

В оптико-акустическом приемнике изменение температуры приемной поверхности, образующей одну из стенок газовой камеры, вызывает изменение температуры и объема газа и прогиб мембраны -- второй стенки газовой камеры.

В эвапорографе изменение температуры вызывает изменение толщины масляной пленки.

В диэлектрическом приемнике изменение температуры вызывает изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора, имеющей сильную температурную зависимость, и соответствующее изменение емкости конденсатора регистрируется. Разновидностью диэлектрического приемника является пироэлектрический приемник излучения, в котором диэлектриком конденсатора служит сегнетоэлектрик, т. е. вещество, на поверхности которого появляется электрический заряд при механических деформациях.

Неравномерный нагрев конденсатора приводит к деформациям, и на обкладках конденсатора возникают заряды, которые регистрируются.В термиконе изменение температуры вызывает изменение величины фотоэмиссии и т.д.В фотоэлектрических (фотонных) приемниках энергия излучения преобразуется в механическую энергию электронов, испускаемых облучаемым веществом. Если электроны, освобожденные квантами излучения, покидают вещество, из атомов которого они вырваны, то явление носит название внешнего фотоэффекта, если же электроны остаются в веществе, то явление называется внутренним фотоэффектом. Влияние внутреннего фотоэффекта на характеристики вещества может быть различным в зависимости от условий, которые созданы для освобожденных электронов. Если они могут перемещаться внутри вещества в любом направлении, то вещество остается нейтральным и лишь электропроводность его изменяется. Если же в веществе создаются условия односторонней проводимости и электроны могут перемещаться лишь в одном направлении, то в веществе возникает разность потенциалов, создающая ток во внешней цепи.

Фотоэлектрические приемники излучения, в которых используется явление внешнего фотоэффекта, называются фотоэмиссионными приемниками. К ним относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители, электронно-оптические преобразователи и некоторые телевизионные передающие трубки (диссектор, иконоскоп, ортикон, суперортикон и др.).

Приемники с внутренним фотоэффектом, в которых используется явление изменения электропроводности вещества, называются фоторезисторами или фотосопротивлениями.

Приемники, в которых используется явление возникновения ЭДс, называются фотогальваническими, вентильными фотоэлементами или фотоэлементами с запорным слоем.

Если в качестве контактирующих веществ в вентильном фотоэлементе применяются полупроводники с различным типом проводимости, то наряду с возникновением разности потенциалов между слоями с р- и п-проводимостью при неравномерном освещении чувствительного слоя образуется разность потенциалов вдоль р-n-перехода. Эту фото-ЭДС. называют продольной или боковой, а соответствующие приемники -- фотоэлементами с продольным или боковым эффектом.

Если к чувствительному элементу приемника излучения с запорным слоем приложить напряжение так, что оно препятствует возникновению тока во внешней цепи приемника при освещении, то изменение величины потенциального барьера под действием излучения приводит к изменению сопротивления и падению напряжения на приемнике. Этот режим работы называют фотодиодным. Изменение тока, проходящего через фотодиод при освещении, может усиливаться, как в обычном полупроводниковом триоде, тем же полупроводником, в котором создан запорный слой. В этом случае соответствующий комбинированный приемник излучения называется фото-триодом. Условия односторонней проводимости и, следовательно, появления э. д. с. при освещении, можно создать в полупроводнике, помещая его в магнитное поле, ориентированное по нормали к падающему излучению. В этом случае носители тока (электроны и дырки) отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, что приводит к возникновению в образце разности потенциалов. Описанное явление носит название фотомагнитного эффекта.

В люминесцентных приемниках излучения происходит преобразование излучения одного спектрального состава в излучение другого спектрального состава. Типичным представителем этого типа приемников является метаскоп - светосостав, высвечивающийся под действием ИК-излучения за счет накопленной им световой энергии при предварительном облучении ультрафиолетом, синим излучением неба или радиоактивным веществом.

В фотохимических приемниках энергия излучения вызывает всевозможные химические превращения. В фотопластинке, например, происходит фотохимическая реакция разложения галоидных солей серебра, причем металлическое серебро выделяется, образуя скрытое изображение источника излучения. В глазу, человека под действием света в светочувствительных элементах сетчатки происходит фотохимический процесс, при котором продукты разложения вызывают раздражение зрительного нерва и световое ощущение.

В зависимости от характера изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения приемники излучения можно разделить на две большие группы: неселективные, чувствительность которых остается постоянной в определенном достаточно широком участке спектра; селективные, чувствительность которых зависит от длины волны падающего излучения.

К неселективным приемникам, в частности, относится большинство тепловых приемников излучения, у которых обеспечивается постоянство коэффициента поглощения приемной площадки при изменении длины волны за счет чернения -- покрытия копотью, испарения металлов в вакууме и т. д.

Приемники излучения можно относить к одной из пяти больших групп для областей спектра: ультрафиолетовой (1--380 нм); видимой (380--780 нм); ближней ИК-области (780--1400 нм); средней ИК-об-ласти (1,4--6,0 мкм); далекой ЙК-области (6,0--1000 мкм).

К первой группе относятся фотоэмульсии, некоторые фотоэмиссионные приемники, тепловые приемники и фоторезисторы.

Ко второй группе -- фотоэмиссионные приемники, главным образом с сурьмяно-цезиевым фотокатодом, фотоэмульсии, селеновые фотогальванические приемники, фоторезисторы из сернистого и селенистого кадмия и сернистого висмута, кремниевые фотогальванические приемники (солнечные батареи) и тепловые приемники.

К третьей группе -- фотоэмиссионные приемники с кислородно-цезиевым фотокатодом, сенсибилизированные фотоэмульсии, сернисто-таллиевые фоторезисторы и фотогальванические приемники ,сернисто-серебряные фотогальванические приемники, тепловые приемники, некоторые, фосфоры, сернисто-свинцовые фоторезисторы, германиевые и кремниевые фотодиоды и фототриоды.

К четвертой группе -- сернисто-свинцовые, теллуристо-свинцовые и селенисто-свинцовые фоторезисторы, фоторезисторы, фото-диоды и фотомагнитные приемники из сурьмянистого индия, фото-резисторы из германия, легированного золотом, и тепловые приемники.

К пятой группе -- тепловые приемники излучения, фоторезисторы из германия, легированного цинком или ртутью, фоторезисторы на основе тройных соединений, например кадмия--ртути--теллура.

Классификация приемников излучения по тем областям спектра, где они наиболее чувствительны и находят наибольшее применение, является достаточно условной, так как многие приемники используются в различных участках спектра. В ряде случаев такая классификация представляется оправданной, удобной и не исключает определения некоторых приемников как двух- и многодиапазонных, если это необходимо.

В принципе возможны любые температуры чувствительного слоя приемника, однако наиболее часто для неохлаждаемых приемников указываются значения «комнатной» температуры 293 К или 300 К, а для приемников охлаждаемых называются точки кипения различных веществ, используемых для охлаждения: 194,7 К--твердой углекислоты или сухого льда; 77,4 К -- жидкого азота; 27,3 К -- жидкого неона; 20,5 К -- жидкого водорода; 4,3 К -- жидкого гелия. В последних трех случаях, когда температура ниже 30 К, приемники называют глубоко охлаждаемыми.

При комнатной температуре работает большинство тепловых приемников излучения, фотоэмиссионные приемники, фотопластинки, фосфоры, сернисто-свинцовые фоторезисторы фоторезисторы из сурьмянистого индия и некоторые другие приемники. При температуре сухого льда -- фоторезисторы из сернистого свинца, а также некоторые тепловые приемники (термоэлементы и болометры). При температуре жидкого азота -- фоторезисторы из сернистого, селенистого и теллуристого свинца, сурьмянистого индия, германия, легированного золотом, фотогальванические и фотомагнитные приемники из сурьмянистого индия, фоторезисторы на основе тройных соединений, тепловые приемники. При сверхнизких температурах -- фоторезисторы из германия, легированного ртутью или цинком, а также тепловые приемники -- сверхпроводящие и германиевые болометры.[3]

3.Полупроводниковые приемники излучения.

К числу полупроводниковых приемников излучения относятся фотодиоды, фототранзисторы, и другие приборы.

В основе работы приемников излучения лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором кванты света выбивают электроны из атомов полупроводника. Ставшие свободными электроны создают ток через p-n-переход. [2]

4.Полупроводниковый фотодиод

Фотодиод – фоточувствительный полупроводниковый диод с р-n-переходом (между двумя типами полупроводника или между полупроводником и металлом).

Структура фотодиода и его условное графическое обозначение.

Рис. 1

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон–дырка в области р-n–перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле р-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Генерация пар электрон–дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения uак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем в соответствии со сделанным замечанием о разделении электронов и дырок uак>0 (дырки переходят к аноду, а электроны – к катоду).[5]

Характеристики и параметры.Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам или различным освещенностям.

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода (рис. 2.10).

Рис.2

Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон–дырка. Под действием электрического поля p-n-перехода носители заряда движутся к электродам (дырки – к электроду слоя р, электроны – к электроду слоя n). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод–катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Режим фотогенератора имеет место при u>0 и i<0 (четвертый квадрант). При этом диод отдает энергию во внешнюю цепь (u·i<0). В этом режиме работают солнечные элементы. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет снижаться.

Режим фотопреобразователя соответствует соотношениям u<0 и i<0 (третий квадрант). В этом режиме фотодиод потребляет энергию (u·i>0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 2.11). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображают в первом квадранте (рис. 2.12).

Рис. 2.1

Рис. 2.2

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107-1010 Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод–фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки).

В фотодиодах на p-n-переход подается обратное напряжение. В темноте обратный ток через диод достаточно мал. При освещении перехода увеличивается число «выбитых» квантами света электронов и образовавшихся на их месте дырок. Увеличивается обратный ток перехода, причем его величина зависит от освещенности перехода: Iобр=f(Ф), где Ф – световой поток. На этом основана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки. При увеличении светового потока увеличивается обратный ток и растет падение напряжения на нагрузке. Обозначение фотодиода на схемах и схема с фотодиодом приведены на рис.5.2 (а,б).

Рис.3

Технология изготовления фотодиодов почти не отличается от технологии изготовления обычных полупроводниковых диодов. На кристалле полупроводника создают слои ср и n проводимостями. Один вывод образует контакт с подложкой, а другой – тонкий, прозрачный слой металла. Разработаны более чувствительные и быстродействующие фотодиоды с четырехслойными гетеропереходами, с барьером Шотки, кремниевые p-i-n-диоды, которые все более вытесняют фотодиоды с p-n-переходом. Структура p-i-n-диода(см.рис.5.3) содержит слои полупроводника с р и n проводимостями, разделенные очень тонким i-слоем окиси кремния – изолятором. Обратный ток перехода в p-i-n-структуре чрезвычайно мал, что увеличивает чувствительность к слабым световым потокам. Энергия носителей заряда, возбужденных квантами падающего света, оказывается вполне достаточной, чтобы преодолеть тонкий слой изолятора и создать фототок.[5]

Рис. 4

5.Фоторезисторы

Фоторезисторы (фотосопротивления) - простейшие полупроводниковые структуры с одним типом проводимости, у которых под действием падающего оптического излучения происходит изменение проводимости вследствие образования в них носителей заряда (электронов и дырок). Этот эффект наблюдается в полупроводниках при энергии падающего фотона, недостаточной для возникновения внеш. фотоэффекта, но достаточной для перехода носителя из валентной зоны в зону проводимости. Фотоны с такой энергией вызывают внутренний фотоэффект, увеличивая в зоне проводимости и в валентной зоне число носителей заряда. Величина запрещённой зоны определяет "красную границу" чувствительности фоторезисторов. Фоторезистор представляет собой тонкую пластинку или плёнку из полупроводника, нанесённую на подложку из изоляционного материала и помещённую в корпус с защитным окном; через контакты, к чувствительному слою подводится питающее напряжение. Охлаждаемые фоторезисторы обычно монтируют на внутреннем дне сосуда Дьюара. Схемы включения фоторезисторов аналогичны схемам включения болометров. Приёмник изготовляют из материала с узкой запрещённой зоной. Однако чем уже запрещённая зона, тем больше носителей возбуждается не фотонами, а термическим путём. Принято считать, что фоторезисторы, чувствительные к излучению с длиной волны до 3 мкм, охлаждения не требуют; в диапазоне 3-8 мкм необходимо охлаждение до 77 К; фоторезисторы для диапазона 8-30 мкм требуют глубокого охлаждения до 3-5 К. Наиболее широкое применение получили фоторезисторы на основе сульфида цинка (рабочая область спектра 0,3-0,9 мкм), селенида кадмия (0,35-1,1 мкм), сульфида свинца (0,4-3,6 мкм), селенида свинца (0,54-4,0 мкм), антпмонида индия (2,2-9,0 мкм), германия, легированного золотом и ртутью (1,8-9,0 мкм

Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости. В транзисторе с «оторванной» базой (IБ=0) коллекторный ток равен

При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется обратный токIКБ0, и следовательно и коллекторный ток. Мощность сигнала в транзисторе с ОЭ из-за большей величины обратного тока (в β+1 раз) , чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания. Таким образом, чувствительность фототранзистора выше.
Примерная и обозначение структура фототранзистора приведены на рис. 5.4.

Рис.5

От обычного биполярного транзистора фототранзистор отличается только тем, что у него в области эмиттерного перехода имеется прозрачное окно, пройдя которое свет попадает в базу. Образовавшиеся благодаря квантам света носители заряда создают ток базы.
Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 1, 2 приложения. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором - тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 3 приложения) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток

Iт = E / (Rт + Rн), (4)

где Е - э. д. с. источника питания; Rт - величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн - сопротивление нагрузки.
При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток

Iс = E / (Rс + Rн). (5)

Разность между световым и темновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости

Iф = Iс - Iт. (6)

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.[5]

5.1.Характеристики фоторезисторов

Основными характеристиками фоторезисторов являются:
Вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна (рис. 4 приложения). Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе.

Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фотрезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику (рис. 5 приложения). Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люксамперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.
Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые - в красной, а сернисто-свинцовые - в инфракрасной (рис. 6 приложения).

Частотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока - с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (рис. 7 приложения). Инерционность ограничивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.[5]

5.2.Параметры фоторезисторов

Основные параметры фоторезисторов:

Рабочее напряжение Uр - постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях.
Максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax - максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

Темновое сопротивление Rт - сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.