Фотоэлектрические чувствительные элементы

Фотоэлектрические чувствительные элементы преобразуют опти­ческое излучение в электрический сигнал. По принципу действия су­ществуют несколько видов преобразователей: с внешним фотоэффек­том (вакуумные или газонаполненные; с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) и на основе p-n-перехода (фотодиоды, фототранзи­сторы и т.п.).

Основными характеристиками фотоэлементов являются: зависи­мость параметра (сопротивления, тока, напряжения) от облученности входного торца чувствительного элемента; спектральная - зависи­мость чувствительности от длины волны падающего излучения, ча­стотная - зависимость чувствительности от частоты изменения излу­чения.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой ва­куумную или газонаполненную лампу с анодом и катодом в виде внутренней стенки с нанесенным на нее фоточувствительным слоем. Под действием светового потока в катоде возникают свободные элек­троны, которые под действием электрического поля перемещаются к аноду, создавая внутри фотоэлемента электрический ток. В настоя­щее время подобные элементы применяются редко.

Фотоэлемент с внутренним фотоэффектом (рис.9.12) представля­ет собой фоторезистор, принцип действия которого состоит в том, что свободные электроны, образующиеся под действием излучения в слое чувствительного проводника (фоторезиста) 2, остаются (пере­распределяются) в веществе, резко изменяя его сопротивление R. Чувствительный материал наносится на изоляционную подложку 1 и сверху покрыт защитной тонкой прозрачной лаковой пленкой 3. Наи­более часто применяются сернисто-кадмиевые, сернисто-свинцовые, сернисто-висмутовые и селенисто-кадмиевые

фоторезисторы.

Рисунок 9.12 - Устройство фоторезистора: 1- подложка; 2- фоторезист; 3- защитная пленка; R- сопротивление фоторезистора; Ф- оптическое излучение.

Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом работают на исполь­зовании явлений, происходящих в переходе р-n под воздействием из­лучения. Они состоят (рис.9.13): 1- из металлического основания, вы­полняющего роль нижнего электрода, 2, 3 -полупроводниковых слоев р и п, оптической линзы 4.

Рисунок 9.13 - Конструкция фотодиода.

Р-n переход при облучении сам генерируют электрическое напряжение. Как правило, напряжение Е, возни­кающее на переходе, имеет положи­тельную полярность со стороны облас­ти n. Это напряжение способно обеспечить протекание тока во внешние цепи. Чем выше интенсивность све­тового потока, тем больше ток I от него. Схема включения фотодио­да в режиме генератора приведена на рис.9.14а. Фотоэлектрические диоды могут использоваться в качестве управляемых излучением диодов, если внешнее напряжение Е при­ложено к ним в обратном направлении таким образом, что n-область подключена к отрицательному потенциалу, как это показано на рис.9.146. В этом случае обратное сопротивление диода, а значит, и ток в цепи зависят от падающего излучения. Для изготовления фото­диодов используется германий и кремний. Кремниевые фотодиоды имеют меньшее значение темнового тока.

Рисунок 9.14 - Схемы включения диода в генераторном режиме (а) и в обратном направлении (б).

При построении датчиков часто используются излучающие полу­проводниковые диоды - светодиоды. Если приложить внешнее на­пряжение в прямом направлении диода, то это приведет к протека­нию в нем электрического тока, который вызывает свечение р-n пере­хода. Длина волны излучаемых колебаний определяется используе­мым полупроводниковым материалом перехода. Интенсивность из­лучения возрастает при увеличении тока.

Чтобы обеспечить требуемое пространственное распределение света, светодиод применяется совместно с оптическими линзами. Для изготовления светодиодов применяют арсенид галлия, дающий излучение в инфракрасной области оптического излучения, фосфид арсенида галлия, излучающий красный или оранжевый свет, и фос­фид галлия (желтый или зеленый). Глаз человека имеет максималь­ную чувствительность на зеленом участке спектра, поэтому фосфид галлия имеет наибольшую эффективность.

В датчиках применяются диодные оптроны. Они состоят из фотоизлучающего (светодиод) D₁ и фоточуствительного приборов D₂(фотодиод, фоторезистор), сконструированных в едином устройстве (рис.9.15). Такие устройства применяются для передачи сигнала с од­ной электронной схемы на другую в тех случаях, когда требуется, чтобы они были электрически изолированы одна от другой.

Рисунок 9.15 - Схема устройства оптрона.

В настоящее время получили распространение твердотельные фотоэлектронные приборы с зарядовой связью (ПЗС). Основой ПЗС является конденсатор МОП-структуры (металл-окисел-полупроводник). Одной обкладкой конденсатора является металличе­ский электрод, а второй- полупроводник. Между обкладками нахо­дится слой окисла полупроводника, рис.9.16.

Рисунок 9.16 - Ячейка конденсатора прибора с заря­довой связью (МОП-структура): 1- р-полупроводниковая подложка; 2- окисел полупровод­ника; 3- металлический электрод; 4- неосновные носи­тели; 5- обедненная область; 6- основные носители.

Если между электродом и полупроводни­ковой подложкой, например р-типа, приложить напряжение +U, то в результате действия электрического поля дырки (основные носите­ли), находящиеся под электродом, отойдут в толщу слоя полупровод­ника. При этом под электродом образуется область, обедненная ос­новными носителями, - потенциальная яма. Изменяя величину на­пряжения +U можно управлять глубиной потенциальной ямы.

В образовавшейся потенциальной яме происходит накопление неосновных носителей - электронов, которые могут образовываться за счет фотоэмиссии в результате засветки МОП- структуры, приме­няемые в виде линеек и матриц.

ПЗС- линейка (рис.9.17) - это устройство для хранения и пере­движения зарядовых пакетов вдоль нее, по одной пространственной координате. Она состоит из последовательно расположенных элек­тродов на общей подложке. Расстояние между электродами настоль­ко мало, что обедненная область под одним электродом практически простирается до соседних электродов. Поэтому, если под одним из n-электродов, к которым приложен потенциал +U, будет накоплен за­ряд, образованный под действием света, то продвинуть его в сосед­нюю n+1 ячейку можно, если потенциальную яму этой ячейки сде­лать глубже, чем у n-ой ячейки. Если на три соседних электрода по­следовательно подавать соответствующие потенциалы +U, то можно заряды сдвигать от одного электрода к другому, т.е. перемещать сиг­нал вдоль строки. Проецируя на линейку, например, изображение, получают различную засветку отдельных МОП- конденсаторов, т.е. разные заряды под каждым электродом, величины которых зависят от изображения.

Рисунок 9.17 - Линейка из МОП-конденсаторов: 1- зарядовые пакеты; 2 - электроды.

Преобразователи свет-сигнал на базе ПЗС находят широкое при­менение в технике телевидения. Для построения преобразователей используют две линейки, разделенных между собой затвором (рис.9.18). На верхнюю линейку, секцию накопления 1, падает изо­бражение. В ней светочувствительные элементы накапливают заря­довые пакеты за время активной работы этой строки. Распределение зарядов вдоль строки соответствует освещенности соответствующих точек изображения. Затем накопление прерывается и с помощью электрического затвора 2 зарядовые пакеты вводятся параллельно в секцию переноса 3. После закрытия затвора вновь происходит накоп­ление зарядов в секции 1, а из секции 3 зарядовые пакеты Е_вых через устройство считывания 4 выводятся из преобразователя.

Рисунок 9.18 - Линейный преобразователь наПЗС: 1- секция накопления; 2- затвор переноса; 3- секция переноса, 4- устройство считывания зарядов.

Рисунок 9.19- Матрица из МОП-ячеек.

ПЗС-матрица (рис.9.19) - это матрица из МОП-ячеек, аналогичных ПЗС-линейке, но имеющая две координаты считывания информации.

Такие преобразователи бывают двух видов - с покадровым и межстрочным переносом. Рассмотрим матричный преобразователь с покадровым переносом (рис. 9.20). В нем поверхность экрана, поверхность про­ецирования изображения, образована секцией накопления 1. Накоп­ление зарядов происходит в светочувствительных ячейках этой сек­ции во время прямого хода развертки по кадру. После завершения на­копления в течение короткого промежутка времени (обратный ход по кадру) через открывшийся затвор переноса кадра 2 зарядовые пакеты переносятся в секцию хранения 3. Секция хранения защищена от све­та и имеет такую же структуру, как и секция накопления. Во время прямого хода кадровой развертки режим накопления в секции 1 во­зобновляется. В это же время информация из хранения построчно передается в секцию переноса заряда - сдвиговый регистр 5. Сдвиг в секцию переноса осуществляется во время обратного хода развертки по строкам через затвор переноса 4. Зарядовые пакеты Е_вых из секции переноса выводятся поэлементно в устройство считывания зарядов 6 за время прямого хода строчной развертки. Промышленностью вы­пускается и широкий спектр ПЗС-приборов для видимой и инфра­красной областей спектра опгического излучения, на базе которых изготовляются телевизионные датчики различного назначения.

Рисунок 9.20 - Матричный преобразователь на ПЗС с покадровым перереносом: 1 - секции накопления; 2, 4 - затворы переноса; 3 - секции хранения; 5 - секции переноса; 6 - устройства считывания зарядов.