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.