9.2.7. 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 p и n, оптической линзы 4.

Рисунок 9.13 – Конструкция фотодиода.

P-n переход при облучении сам генерируют электрическое напряжение. Как правило, напряжение E, 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.9.14б. 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 p-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.

Р исунок 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 p-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 E_вых через устройство считывания 4 выводятся из преобразователя.

Рисунок 9.18 – Линейный преобразователь на ПЗС: 1- секция накопления;

2- затвор переноса; 3- секция переноса; 4- устройство считывания зарядов.

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

Рисунок 9.19 – Матрица из МОП-ячеек.

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 E_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 оптического 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.