Лабораторные работы по электронике Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Исследование варикапов

Типы фотодатчиков

Все фотодатчики по принципу действия можно разделите на две большие группы: тепловые и фотонные.

В свою очередь фотонные приемники подразделяют на фотодетекторы, основанные на:

внешнем фотоэффекте (фотоэлектронные умножители и вакуумные фотоэлементы, электронно-оптические преобразователи);

внутреннем фотоэффекте (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т. п.).

Принцип действия тепловых фотоприемников основан на регистрации изменения свойств материала при изменении его температуры вследствие поглощения оптического излучения.

Инерционность тепловых приемников велика (> 10 мс), а чувствительность сравнительно низка. Поэтому в системах передачи информации они не используются. Тепловые приемники применяются там, где необходимо обеспечить постоянство спектральной чувствительности, а также в далекой ИК-области спектра.

Полупроводниковые фотодатчики

Фотоэлектрические полупроводниковые приборы предназначены для регистрации или преобразования электромагнитного излучения оптического диапазона частот. Среди этих приборов можно выделить такие, в которых излучение световой энергии действует на объем полупроводника, и приборы, в которых излучение действует на область вблизи p-n перехода.

При воздействии излучения на объем полупроводника возникают свободные носители и, следовательно, изменяется проводимость полупроводника. Прибор, в котором используется это явление, называется фоторезистором (фотосопротивлением).

Рис.6. Фотосопротивление и фотодиод

При воздействии излучения на прибор с p-n переходом в нем также возникают носители, в связи с чем либо будет изменяться проводимость перехода, включенного в обратном направлении, либо будет происходить разделение носителей под действием диффузионного поля перехода и возникнет ЭДС. Примерами таких приборов являются фотодиоды. При необходимости усиления получаемого фототока используются фототранзисторы, которые имеют не менее двух электронно-дырочных переходов. Фотодиоды и фототранзисторы используют изменение проводимости p-n перехода (что вызывает изменение напряжения на этом переходе).

Фотоэлектрические полупроводниковые приборы с генерацией ЭДС при воздействии излучения на область p-n перехода, называются фотоэлементами. Фотоэлементы служат преобразователями световой энергии в электрическую. Некоторой разновидностью фотоэлементов являются солнечные элементы, предназначенные для преобразования солнечных лучей в электрическую энергию. Совокупность электрически соединенных фотоэлементов называется солнечной батареей.

В фотодиодах на основе p-n – переходов используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей. Схематически фотодиод изображен на рис.7.

Рис.7. Схема включения фотодиода

ФотоЭДС на p-n переходе

Вольт-амперная характеристика для активного режима работы (приложено внешнее напряжение) имеет вид:

 (2)

В отсутствии внешнего источника Vg = 0, напряжение фотоэлемента приложено к нагрузочному сопротивлению и обусловлено фототоком при освещении фотоэлемента. Рассмотрим два частных случая уравнения (2).

Разомкнутая цепь

 При разомкнутой внешней цепи () ток через внешнюю цепь не протекает. В этом случае напряжение на выводах фотоэлемента будет максимальным и равным ЭДС фотоэлемента. Эту величину называют напряжением холостого хода Vхх. Из уравнения (2), при условии J = 0, получаем уравнение, позволяющее по известным значениям фототока Jф и тока нагрузки Js рассчитать напряжение холостого хода Vхх:

 (3)

Напряжение Vхх (фотоЭДС) можно также определить непосредственно, подключая к выводам фотоэлемента вольтметр в отсутствие нагрузки.  Внутреннее сопротивление вольтметра должно быть много больше сопротивления p-n перехода.

Режим с подключённой нагрузкой

 В режиме короткого замыкания напряжение на выводах фотоэлемента VG = 0. Тогда из уравнения (1) следует, что ток короткого замыкания Jкз во внешней цепи равен фототоку JФ:

 (4)

Итак, в режиме короткого замыкания определяется величина фототока JФ.

Световая зависимость

Световая характеристика представляет собой зависимость величины фототока JФ от светового потока Ф, падающего на фотоэлемент. Сюда же относится и зависимость VXX от величины светового потока. Количество электронно-дырочных пар, образующихся в фотоэлементе при освещении, пропорционально количеству фотонов, падающих на фотоэлемент. Поэтому фототок будет пропорционален величине светового потока:

 (5)

где К – коэффициент пропорциональности, зависящий от параметров фотоэлемента. В фотодиодном режиме ток во внешней цепи пропорционален световому потоку и не зависит от напряжения VG.

 

Рис. 8. Световая характеристика фотоэлемента.

Коэффициент пропорциональности К в уравнении (5) получил название интегральной чувствительности фотоэлемента.

Направляющей системой для оптоволоконных систем связи являются диэлектрические волноводы, или волокна, как их называют из-за малых поперечных размеров и метода получения. В то время когда был получен первый световод, затухание составляло порядка 1000 дб/км это объяснялось потерями из-за различных примесей присутствующих в волокне. В 1970 г. были созданы волоконные световоды с затуханием 20 дб/км. Сердечник этого световода был изготовлен из кварца с добавкой титана для увеличения коэффициента преломления, а оболочкой служил чистый кварц. В 1974г. затухание было снижено до 4 дб/км, а в 1979г. Получены световоды с затуханием 0,2дб/км на длине волны 1,55мкм.
Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике