Материал: zPUs6LtHHJ

преобразует контролируемую физическую величину в другой вид энергии, либо меняет свои параметры под ее воздействием. Блок-схема любого коммерческого датчика представлена на рис. 3.

Вторичный преобразова- тель сигнала Регистрирующее устройство

(средство индикации)

Рис. 3. Блок-схема коммерческого датчика

В дальнейшем будут рассматриваться только физические принципы работы и технологии изготовления блока I и блока II.

ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Видимая область оптического излучения занимает довольно узкий диапазон электромагнитных колебаний и имеет различное распределение по спектральным составляющим. Исходя из этого разрабатываются различные приемники оптического (видимого) излучения.

К оптическим датчикам относятся устройства, изменяющие параметры излучения под воздействием контролируемой физической величины: различного типа фотоприемники, фоторезисторы, фотодиоды (внутренний фотоэффект) и фотоэмиттеры (внешний фотоэффект). Устройства на основе таких активных элементов характеризуют (контролируют, измеряют) излучение оптического диапазона, включая ИК и УФ.

Фоторезистор является одним из самых простых и чувствительных датчиков оптического излучения. Основной принцип его работы заключается в изменений сопротивления чувствительного слоя под воздействием оптического излучения. В зависимости от интенсивности светового потока сопротивление может меняться в широких пределах (рис. 4).

Спектральная чувствительность определяется материалом резистора. Так, CdS обладает максимальной чувствительностью в зеленой области спектра (500 нм); CdSe – в красной (720 нм); а PbS/PbSe – в ИКобласти.

6

R, Ом

109

106

поддержки I0 (темнового тока) постоянным и I0 << Ip , а чувствительность –

выражением S = ∆I∆Φ = γ(Uα)Φγ−1 , где U – напряжение питания. Статический коэффициент преобразования потока излучения известного

спектрального состава определяется выражением IΦ = (UФ).

7

Статическая чувствительность датчика рассчитывается по формуле

S = Ip Φ.

Из приведенных выражений следует:

1.Фоторезистор является нелинейным датчиком, и его чувствительность уменьшается с ростом потока излучения, кроме частного случая γ 1.

2.Чувствительность пропорциональна приложенному напряжению (при очень хорошем теплоотводе I0 << Ip или малых напряжения, когда само-

разогрев несущественен).

Достоинство фоторезистивных датчиков – высокие значения статического коэффициента преобразования и чувствительности, что позволяет использовать простые схемы.

Недостатки фоторезистивных датчиков – нелинейность, ограниченная полоса пропускания, старение и сильная температурная зависимость. Применяются такие датчики в областях, не требующих высокой прецизионности

(свет – темнота, наличие или отсутствие света и т. д.).

На рис. 6, а показан датчик оптического излучения в корпусе, а на рис. 6, б кристалл фоторезистора.

При управлении реле (рис. 7, а) фоторезистор либо открывает, либо закрывает диод. В схеме с мостом Уинстона управление происходит за счет разбаланса схемы при облучении фоторезистора световым потоком.

Схемы включения датчика показаны на рис. 7.

8

Работа фотодиода основана на внутреннем фотоэффекте. Как известно,

переход располагался как можно ближе к поверхности (уменьшение поглощения света), облучаемая поверхность была бы как можно больше, и концентрация неосновных носителей была бы невелика, т. е. необходимо использовать высокоомные материалы типа p–i–n-структур (ρ ~ 20кОм см). В качестве материалов для фотодиода используются Si и Ge для видимой и ближней ИК-областей, GaAs и тройные соединения – для ИК-области. Возможны два варианта работы (использования) фотодиода – в диодном и в гальваническом режимах. В диодном режиме измеряется фототок, а в фотогальваническом – напряжение холостого хода (высота барьера ~ 0,1…0,6 В, которую измеряют на выходах фотодиода). Ток короткого замыкания на малой нагрузке (R << Rd ) пропорционален потоку (n 10мкА).

Во всех случаях для получения линейной зависимости и высокой чувствительности темновой ток должен быть пренебрежимо мал. Обычно I0 ~ nА, но этот ток быстро возрастает при росте температуры. Чувствительность определяется так же, как и для фоторезисторов, выражением ∆I∆Φ. При λ = const линейность охватывает 5-6 порядков величин по све-

товому потоку.

Принципиальной особенностью для фотодиодов на основе различных полупроводниковых соединений является то, что они способны реагировать на свет с длиной волны, лежащей только в определенном диапазоне. Этим определяется их селективность.

9

Ip = qnn(1− R)λ Φ0 exp(−αx) и Us = RmIp . hc

В фотогальваническом режиме (рис. 9, б) без источника питания (темновой ток отсутствует) при Rm << Rd (КЗ)Ip ~ Φexp(−αx) – зависимость вы-

ходного сигнала либо логарифмическая, либо линейная.

На внутреннем фотоэффекте работают также фоторезисторы (освещается база либо подзатворная область у полевых транзисторов) и лавинные фо-

дов обладают высоким быстродействием. Это связано с тем, что напряженности поля на обратно смещенном p–n-переходе очень велики

(~ 104...105 Всм). В таких полях дрейфовая скорость электронов vдр не зави-

сит от их значения и составляет ~ 107 смс.

10