Материал: Датчики измерительных систем (ЧЭ и т.п)

Светоприемники должны удовлетворять ряду требований: малогабаритность, малое потребление мощности, высокая чувствительность, быстродействие. Чаще всего используют фотодиоды и фототранзисторы, действие которых основано на внутреннем фотоэффекте – явлении, при котором электроны, находящиеся в валентной зоне полупроводника, при поглощении света возбуждаются и переходят в зону проводимости.

Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод на базе p-n перехода или барьера металл-полупроводник, смещенного в обратном направлении. При этом обратный ток фотодиода зависит от освещенности его p-n перехода.

При освещении выпрямляющего p-n перехода световым потоком Ф_с происходит генерация избыточных носителей и обратный ток фотодиода возрастает на величину I_ф, называемую фототоком (рисунок 2.47). Обратное смещение перехода составляет 10..30 В. Фотоприемники изготавливаю на основе германия, кремния, свинца, индия, они имеют линейную функцию преобразования.

Рис. 2.47. Вольт-амперная характеристика (а) и функция преобразования (б) фотодиода.

Упрощенная структура фотодиода и его условное графическое обозначение показаны на рисунке 2.48.

Рис. 2.48. Структура фотодиода (а) и его УГО (б)

Принцип действия фототранзистора основан на усилении фототока коллекторного p-n перехода. Его выходные характеристики подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но положение характеристик определяется не током базы, а величиной светового потока.

Функцию преобразования светоприемника можно представить в обобщенном виде (рисунок 2.48, б):

,

где S_ф – чувствительность светоприемника, А/лм; Ф_с – световой поток, лм.

Ниже приведены основные параметры фотоприемников:

Длина волны λ в максимуме спектральной характеристики S(λ)

(рис.2.49), мкм:

для германиевых фотодиодов 0,6…1,0

для индиевых фотодиодов ≤3,2

«Темновой» ток I_т, мкА 50

Чувствительность S_ф, А/лм:

фотодиодов ≤0,1

фототранзисторов ≤1

Быстродействие t, с 10^-11

Рис. 2.49. Спектральные характеристики фотодиодов на основе германия (1), свинца (2), кремния (3) и индия (4).

Оптические ЧЭ позволяют строить высоконадежные и точные датчики. В последнее время технические характеристики оптических ЧЭ заметно улучшились, соответственно этому решилась сфера их применения.