![]() Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь FAQ Написать работу КАТЕГОРИИ: ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву ![]() Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Приймачі випромінювання на основі внутрішнього фотоефекту.Содержание книги
Поиск на нашем сайте
§1.Принцип дії приймачів випромінювання на основі внутрішнього фотоефекту. ПВ на основі внутрішнього фотоефекту використовують взаємодію падаючих квантів випромінювання із кристалічною граткою н/п різного типу, в результаті якої відбувається іонізація атомів гратки із утворенням вільних носіїв зарядів електронів та дірок. Це приводе до зміни електропровідності н/п або до появи ЕРС в приконтактній ділянці н/п із різним типом провідності. У н/п енергетичні стани вільних і зв’язаних електронів різні і їх можна зобразити з допомогою енергетичної діаграми.
рис. схема н/п із власною провідністю. У зоні провідності може з’явитися електрон за рахунок температурних коливань кристалічної гратки. Із збільшенням температури кількість електронів в зоні провідності зростає, так само як і дірок у валентній зоні.
При попаданні кванта світла в кристалічну гратку електрон валентної зони збурюється і переходе на вільний енергетичний рівень зони провідності, утворюючи в валентній зоні дірку. При цьому провідність матеріалу зростає. Умова
Рис. Н/п із домішковою провідністю n-типу. Донорний рівень домішок може віддавати електрони верхніх електроннів рівнів в зону провідності н/п. Рівень Фермі Ef підвищується. Провідність забезпечується за рахунок електронів. які попадають із домішкових рівнів в зону провідності за рахунок енергії температурної активації, а також за рахунок переходів під дією світла із донорних рівнів в зону провідності Для н/п n-типу в зоні провідності електронів буде більше, чим дірок в валентній зоні. Електрони - основні носії н/п n - типу. Дірки - не основні носії р/п p - типу. Дірок у валентній зоні завжди більше ніж електронів у зоні провідності. Основні носії н-п p-типу є дірки. Єлектрони тут є не основні носії.
Рис. н/п p-типу. При попаданні світла на н/п п-типу провідність також збільшується за рахунок появи надтемпературних носіїв заряду (дірок та електронів). Гранична довжина хвилі
2) Фоторезистори. Фоторезистори (ФР) називають ПВ, принцип дії якого ґрунтується на ефекті фотопровідності. Під дією потоку світла внаслідок внутрішнього фотоефекту у ФР змінюється опір.
ФР являють собою плівки або пластинки фоточутливого н-п матеріалу із двома не випрямляючими струмовими контактами. які включають в електронне коло. ФР не полярні, вони однаково проводять струм у двох напрямках. тому їх можна живити постійним та змінним струмом. ФР роблять на базі власної та домішкової провідності на кімнатні низькі температури (77ºК, 4ºК). Найбільш розповсюджені не охолоджувані ФР на базі н/п із власною провідністю. Розглянемо явище фотопровідності на прикладі власного н/п із малою товщиною Н, багато меншою за Постійна часу та частотна характеристика ФР. При освітленні ФР із власною провідністю генерується в одиницю часу g електронів і скільки ж дірок (1/см3·с), а їх концентрація в часі буде змінюватись згідно рівня:
Із збільшенням числа носіїв у зоні провідності буде зростати імовірність їх рекомбінацій, а при рівномірному в часі освітленні через деякий час процес рекомбінації урівноважить процес генерації носіїв і рівняння (2.1) прийме вигляд:
де Розв’язуючи рівняння (2.2) із початковими умовами t=0,
де величина Рівняння (2.2) розв’язується шляхом заміни Таким чином при включенні засвітки загальна концентрація носіїв зміниться із законом:
Із рівняння (2.3) видно, що
Рис. Залежність концентрації нерівноважних носіїв від часу.
Коли ФР затемнити, то генерація носіїв зупиняється і рівняння (2.2) стає таким. Розв’язуючи (2.5) із початковими умовами t=0,
і Для дірок вирази аналогічні. Збільшення температури н/п підвищує швидкість рекомбінації, тобто зменшує час релаксації, який в загальному випадку може бути різним для зростання освітленості та її спаду (тобто вводиться При великих концентраціях носіїв як правило Постійна часу також залежить від рівня освітленості, а також від витримки у ФР у темноті. Постійна часу проявляється на частотних характеристиках фотоопору.
Рис. Частотна характеристика фотодіодів.
Фотострум і спектральна характеристика чутливості ФР. У освітленому стані питома провідність
де е – заряд електрона, Якщо ФР має товщину Н, довжина l, ширину d, то сумарний струм І, котрий протікатиме через нього при прикладені напруги
де Темновий струм ФР визначає рівень його власних шумів і як наслідок його пороговий рівень та знаходжувальну здатність, тому його бажають зменшити за рахунок зменшення перерізу dH або Фотострум «короткого» замикання в режимі, що встановився для власного н/п при
Враховуючи, що
Вираз (2.10) справедливий коли Спектральна чутливість фотоопору залежить від матеріалу чутливого шару, температури його охолодження, і займає електричний діапазон від 0,3 до 40 мкм.
Рис. Відносна спектральна чутливість фото опорів.
Рис. Світлова та люкс – омічна характеристика фотоопору ФР. ФР Мають такі шуми: струмовий Схема включення ФР. Схема включення ФР можуть бути різноманітними, але можна виділити найбільш характерні: схему ділення напруги, мостову, диференційну, трансформаторну, імпульсну із подвоєнням частоти.
Мостові схеми.
Визначимо значення опору навантаження в схемі ділення напруги при умові максимальної вольтової чутливості ФР При наявності опромінення ФР маємо
Приріст напруги на опорі навантаження буде таким:
де Для малих освітленостей Вольтова чутливість при цьому:
Максимум значення Ця умова виконується коли
де В загальному випадку для більш точного узгодження ФР із посилювачем необхідно розглядати активний та реактивний опори ФР.
Фотодіоди. Принцип дії фотодіоду. Фотодіодами називають н/п прилади, робота яких відбувається за рахунок внутрішнього фотоефекту, використовуючи при цьому односторонню провідність р – n переходу, при освітлення якого з’являється ЕРС або відбувається значна зміна зворотного струму. Фотодіоди виготовляють на основі гомопереходу (p – n перехід утворений різними типами провідностей одного матеріалу), гетеро переходу (p – n перехід із різних матеріалів), бар’єру Шотки (контакт метал н/п «n» або «p» типу) та різних структур метал – діелектрик – н/п. Розглянемо роботу фотодіода в фотогальванічному режимі, тобто коли при його освітленні виникає ЕРС.
При освітленні фотодіода p або n області, що визначається його конструкцією, виникають нові носії заряду – електрони та дірки. Сторона фотодіода, що освітлюється, прозора для випромінювання на товщину порядка товщині p-n переходу. Якщо освітлена n область фотодіода, то в ній утворюються нові носії заряду – електрони та дірки за рахунок поглинання квантів світла При розімкнутому зовнішньому колі та постійній засвітці прямий струм буде збільшуватись до тих пір, доки струми основних та не основних носіїв урівняються і між електродами р – n переходу встановиться деяка різниця потенціалів холостого ходу Vxx за рахунок освітлення (ЕРС). При підключенні до контактів фотодіода опору навантаження і відсутності освітлення через р – n перехід та опір навантаження потече струм термічно генерованих неосновних носіїв Is, який називається темновим струмом. При освітленні з’являється додатковий фотострум неосновних носіїв
Загальний струм І фотодіода у фотогальванічному режимі визначиться за формулою
Де Для фотодіода ФД – 1 при освітленні 8000 ЛК напруга Vxx складає ~ 0,1 В. У фотогальванічному режимі ФД перетворює світлову енергію у електричну. При прикладенні напруги V протилежного напрямку генерованої напруги (додатної по відношенню до напруги контактної різниці потенціалів Ек) струмом основних носіїв можна нехтувати і струм в колі фотодіода буде визначатися струмом ІS та Іф.
При прикладенні напруги V у прямому напрямку струм основних носіїв починає переважати над струмом не основних носіїв, опір р – n переходу різко падає, так як дана напруга зменшує потенціальний бар’єр переходу.
Тобто фотодіод практично не відчуває фотострум, так як він спостерігається на фоні великого струму основних носіїв. Тому другий тип роботи фотодіода у так званому фотодіодному режимі відбувається тільки при прикладенні до нього зворотної напруги – V зовнішнього джерела. Приведені вище теоретичні залежності струму. І від прикладеної V напруги до фотодіоду добре описують спостерігаємо на експерименті вольт амперні характеристики фотодіоду Вольт амперна характеристика фотодіоду ФД – 1. Зміна струму
де Si, Sv – чутливості фотодіода по струму та напрузі, R – його опір. 1 – ф = 0 2 – ф = 50 мкВт 3 – ф = 250 мкВт 4 – ф = 1250мкВт 5 – ф = 2500 мкВт 6 – ф = 4000 мкВт І. область І(v) фотодіодного режиму. ІІ. Область фотогальванічного режиму. Напрямок ОQ відповідає струму короткого замикання, напрямок ОВ відповідає безмежному опору навантаження, тобто напрузі холостого ходу Vxx. При роботі фотодіода в режимі фотодіодному (область I) перевага віддається чутливості по напрузі, а в фотогальванічному режимі можна використовуватись чутливість по напрузі та струму. Схеми включення фотодіодів.
Фотогальванічний режим роботи. У фотогальванічному режимі роботи ФР напруга на p – n переході визначається струмом, що протікає в колі навантаження. Якщо
Після перетворень визначимо напругу холостого ходу:
Тобто напруга фотодіода у режимі холостого ходу змінюється з ростом світлого потоку по ln. закону але нелінійно і досягає максимального значення, але не можна перевищити напругу контактної різниці потенціалів. Лінійність спостерігається тільки на початковій ділянці коли
Де R0- опір p – n переходу при нульовій напрузі:
Для кімнатної температури
Висновок: із збільшенням світлового потоку у фотогальванічному режимі вольтова чутливість зменшується. Якщо відоме максимальне значення фотоструму Оптимізувати загрузку на весь діапазон роботи ФР не вдається, так як опір фотодіода змінюється від засвітки. Фото діод ний режим роботи ФР. Теоретично вольт – амперна характеристика фотодіода розраховується за формулою, що наводилась вище:
При зміні опору навантаження змінюється кут нахилу прямих α.
Спад напруги на опорі навантаження і фотодіоді будуть відповідно:
Струм у зовнішньому колі при Диференціюючи вираз отримаємо формулу для інтегральної вольтової чутливості і ФД: Звідси вольтова чутливість росте із збільшенням опору навантаження. Максимальне значення
При цьому точка перетину прямої загрузки із вольт-амперною характеристикою, що відповідає максимальному потоку випромінювання Піроелектричні прилади. Принцип дії таких приймачів оснований на явищі піроелектрики: тобто виникнення спонтанного поля поляризації при відсутності зовнішнього електричного поля. Це явище спостерігається у кристалах із відсутністю центра інверсії кристалічної градки: BaTiO3, LiNbO3, та ін. На краях кристалу, перпендикулярно до деякого напрямку виникають електричні заряди. Але спостереження зарядів, що виникають в наслідок спонтанної поляризації при постійній температурі кристалу не можливо.В даному випадку заряди, що виникають, компенсуються поверхневим мікроструми. Для їх спостереження необхідно мати зміну у часі ємності або заряду. Для піроелектричних матеріалів зміна температури на величину 10-5К приведе до появи струму. Тобто піроелектричні приймачі можуть працювати тільки у режимі модуляції світлового потоку. Фотострум що виникає стає пропорційний змінній складовій світлового потоку:
Піроелектричні приймачі працюють у широкому спектральному діапазоні, оскільки їх дія пов’язана із перетворенням світлової енергії у тепло.
Приймачі із переносом заряду (ППЗ). Приймачі такого типу лягли в основу створення приймальних систем із поверхневим зарядовим зв’язком (ПЗЗ). Їх принцип дії оснований на використанні структури метал – діелектрик – напівпровідник (МДН/п) у вигляді лінійки або матриці фото чутливих елементів ~ 106 на 1 см2. В кожний із елементів такої матриці являє собою конденсатор. Якщо подати на метал імпульс напруги такого знаку, щоб основні носії заряду у н/п були виштовхнуті від поверхні із утворенням шару об’ємного заряду, то для неосновних носіїв утворюється потенційна яма. Випромінювання, яке падає на конденсатор (з сторони н/п) буде генерувати пари із основних та не основних носіїв заряду. Основні будуть виштовхуватися із ями, а не основні залишатися в ній. Пакет накоплених зарядів буде нести оптичну інформацію, яку можна передавати по усій лінійці від елемента до елемента, подаючи на них послідовні імпульси напруги. Виведення усіх зарядів, які містяться у лінійці (матриці) здійснюється подачею на них послідовних імпульсів напруги певної форми. Така система веде себе як багатоелементний приймач, пов'язаний із системою мультиплексування із зчитуванням інформації у формі відеосигналу. Зонні енергетичні діаграми, що пояснюють принцип накопичення зарядів у ПЗЗ.
Потенціал
Потенціал б)Під дією зовнішнього поля зонні діаграми викривляються. Поблизу границі розділу діелектрик – н/п створюється потенційна яма глибиною По мірі накопичення не основних носіїв глибина потенційної ями зменшується і одночасно збільшується напруженість поля у плівці окису. в)Після заповнення потенційної ями надлишкові заряди можуть попадати у сусідні потенційні ями, або інжектувати у підложку, рекомбінуючи із основними носіями. Це спотворює зарядовий рельєф. Трьох фазний ПЗЗ В цьому типі ПЗЗ керуючі напруги, що поступають від трьох генераторів зсунуті по фазі на 1/3 періоду. ПЗЗ складається із n/n (наприклад кремнію n – типу) одна із сторін якого окислена (окиси кремнію) і являє собою діелектрик на який напилений алюмінієвий електрод. Тобто створена МОН – структура: метал – діелектрик – н/п. Електроди з’єднані групами по три до трьох фаз
Перенос зарядів відбувається під дією напруг V1 i V2, третя напруга V0 визначає напрямок переносу і не дає зарядам рухатися у зворотному напрямку. Саме ця напруга і створює потенційну яму. Падаюче випромінювання індукує додатні електричні заряди у н/п. Ці заряди затримуються поблизу електрода, потенціал якого V2 більш від’ємний, ніж потенціал V0 двох сусідніх електродів (момент t1).
Далі у момент часу t2 електрод, до якого відбувався перенос, дістає потенціал V2, між тим як потенціал, під яким знаходилися заряди підвищується і отримає значення V1. Це приведе до руху зарядів, які показано на малюнку, вважаючи що V0 > V1 > V2. Заряди затримаються остаточно біля сусіднього електроду у момент t3. Такий цикл послідовно повторюється і заряди кожен раз переходять від одного електроду до наступного. Таким чином просуваючись заряди доходять до останнього електроду і подаються у вихідний діод, де вихідний сигнал приймається і відсилається, забезпечуючи по строкову розгортку. Дещо спрощує організацію розгортки двофазне керування ПЗЗ. Але для цього прошарок діелектриків між електродами повинен бути не однаковим по товщині. Така структура забезпечує градієнт напруженості електричного поля в межах елементарного прошарку н/п, що і забезпечує напрямок руху індукованих зарядів. Але створення такого рельєфу технічно є досить складною задачею.
§3. Болометри. Болометри відносяться до класу теплових приймачів. Область спектральної чутливості визначається як правило матеріалом із якого зроблене вікно через яке випромінювання попадає на світлочутливий елемент. Наприклад матеріал KBr прозорий в області 0,3 – 25 мк. Порогів покік болометра ~ 0,5 10-10Вт · Гц-1/2см-1. Болометри знайшли широке застосування в ІЧ – спектрометрах. Принцип дії болометра базується на зміні електричного опору металевої або н/п стрічки під дією променистого потоку, що попадає на неї та спричиняє її нагрів. Незначна зміна температури приводить до незначного опору, яка фіксується за рахунок значного підсилення електричного сигналу, який виникає при модуляції світлового потоку на частоті 10 Гц. Світлочутливий шар болометра виконаний у вигляді тонкої металевої або н/п плівки, яка являє собою термоопір. Конструктивно болометр як правило складається з двох термочутливих опорів, один із яких є приймальним, а другий (затемнений) служить для термокомпенсації впливу оточуючого середовища. Обидва термочутливі опори включають у мостову схему. Приймальна сторона термочутливих елементів покривається спеціальною чорною фарбою, яка поглинає випромінювання у спектральному робочому діапазоні болометра (коефіцієнт поглинання
де R0 - опір при температурі T0, αT - температурний коефіцієнт опору, R - опір при температурі T. Електричний сигнал, що створюється за рахунок електричного підсилення буде визначатись саме зміною опору: Звідки відносна зміна опору буде такою Для металів при температурі T0 ~ 300K (кімнатна температура). Значення
де R0 - опір при температурі T0, B ~ 3000K. Зміна опору за рахунок температури та відносний опіп будуть відповідно такими: Для більшості н/п величина Включення болометра у мостову схему показано на малюнку.
Рис. Мостова схема живлення болометра. На малюнку R1Б, R2Б - приймальний та термокомпенсаційний опори болометра. R3, R4 - опори мостової схеми. Один із них (R3) змінний для встановлення нуля сигналу у відсутності засвітки приймальної площадки. Rн - опір навантаження, з якого подається електронне підсилення. Мостова схема живиться змінною напругою порядка декількох вольт на частоті 10 кГц. Умова балансування моста при відсутності засвітки R4 ·R1Б = R2Б ·R3. При за світці площадки R1Б відбувається розбалансування моста і на опорі навантаження виникає змінний у часі електричний сигнал на несучій частоті 10 кГц. Основні параметри болометра: 1) Інтегральна чутливість. 2) Постійна часу (~10-2сек). 3) Пороговий потік. Схема включення болометр буде забезпечувати максимальну вольтову чутливість коли опір навантаження буде дорівнювати внутрішньому опору підсилювача, аналогічно як і у фото резистора. Вольтова чутливість
Звідки Очевидно, що зміна
Модульований світловий потік на частоті 8 – 10 Гц.
Зміна температури приймальної площадки болометра в часі.
Остаточно вольтова чутливість болометра буде такою:
Тобто зменшення коефіцієнта теплопровідносності приводить до збільшення чутливості болометра. Для зменшення теплопровідності із болометра відкачується повітря. До теплових приймачів слід віднести термоелементи та оптико – акустичні. В основі принципу дії термоелектричних приймачів лежить термоелектричний ефект (ефект Зеебека) – тобто виникнення електрорушійної сили в контакті двох різних провідників, що знаходяться при різних температурах (температура в електриці). У термоелементах градієнт температури створюється за рахунок рівня одного із кінців термопари оптичним випромінюванням. Сьогодні широке застосування у створенні термоелементів знайшли н/п матеріалам. У н/п провідниках термоелектронний ефект проявляється значно сильніше, чим у металах. Оптико – акустичний приймач працює за рахунок теплового ро
|
|||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2016-08-12; просмотров: 428; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.22.185.143 (0.014 с.) |