Приемники ИК диапазона

26 апреля 2007  |  Оптикоэлектронные, инфракрасные CO



В электронике инфракрасное излучение наиболее широко применяется в фотоприемниках, где величина тока изменяется в зависимости от степени облучения их чувствительного слоя.

К ним относятся:

- Фоторезисторы.
- Фотодиоды.
- Фототранзисторы.
- Пироэлектрические датчики.
- Электронно-оптические преобразователи (прибор ночного виденья).

Фоторезисторы.

Прибор, электрическое сопротивление которого уменьшается под действием облучения его чувствительного слоя при увеличении освещенности.

Встречаются фоторезисторы сернисто-кадмиевые (CdS), селено-кадмиевые (CdSe) и их разновидности - сернисто-селенокадмиевые.

Нужно отметить что фоторезисторы обладают достаточно узким спектральным диапазоном в ИК области и большей инертностью при очень высокой чувствительности к изменению освещенности, сопротивление может изменятся от десятков мегаом (10 МОм) при затемнении до единиц килоом (8 кОм) при средней освещенности.

Резкое изменение освещенности фоторезистора вызывает плавное изменение его сопротивления, с определенной задержкой, которая может составлять несколько миллисекунд при сильной освещенности и может превысить секунду при слабой освещенности.

Хотя фоторезисторы и позволяют интересные эксперименты в области ИК излучения, их использование сводится к весьма простым приложениям.

Описанные недостатки фоторезисторов отсутствуют у фотодиодов и фототранзисторов чем и обусловлено их широкое применение в современных приборах.

Фотодиоды.

Каждый кремниевый диод, по сути, уже является фотодиодом. Достаточно слегка стереть черную краску, обычно защищающую от света некоторые диоды, изготовленные в стеклянном корпусе, чтобы получить простейший фотодиод.

Фотодиод включается в схему в обратном направлении, катодом к положительному полюсу источника питания.

При затемнении фотодиод проводит очень маленький ток - около 1 нА который может возрасти до 1 мА если его засветить.

При обратной полярности включения, между областями P и N, возникает потенциальный барьер, изолирующий их друг от друга. Проникая в полупроводниковый слой, свет создает положительные и отрицательные заряды. Поскольку диод включен в обратном направлении (анод под отрицательным напряжением), а противоположные заряды притягиваются, то к аноду идут положительные заряды, а к катоду - отрицательные.

Свет создает эти заряды и в случае, если к диоду не подведено напряжение. Тогда на выходах диода появляется разность потенциалов, и он работает как фотоэлемент, такая схема включения фотодиода в схему называется фотогальваническая.

При обратном включении фотодиода с приложенным смещающим напряжением, фотоэлектрический ток строго пропорционален освещенности, что позволяет использовать их для измерения яркости, а также для передачи сигналов с частотой до десятков мегагерц (МГц) и даже гигагерц (ГГЦ) так как в такой схеме включения снижается собственная емкость фотодиода до единиц (пф) и повышается быстродействие.

Фототранзисторы.

Фототранзистор содержит два p-n перехода (Б-З и К-Б), образованные двумя эквивалентными диодами, один из которых (К-Б) включен обратно.

Если осветить полупроводниковый кристалл транзистора, то можно получить высокочувствительный приемник. Высвобождая электрически заряды в P - области, падающий свет вызывает ток базы, который создает усиленный в ? раз ток коллектора Ic.

Как и диоды, каждый транзистор является фоточувствительным элементом, именно по этому транзисторы, так же как и интегральные схемы, покрывают не прозрачным материалом, если не помещают в металлический корпус. В последнем случае достаточно вырезать отверстие в корпусе, чтобы преобразовать маломощный транзистор в мощнейший фототранзистор. Так или иначе , удаление защитного слоя может привести к сокращению срока службы транзистора. Настоящий фототранзистор разработан для оптимального приема света и часто снабжен линзой для концентрации падающего света.

Фототранзистор целесообразно применять при работе на частотах не превышающих 100 кГц.

Выпускаются фототранзисторы как в двухвыводном так и в трехвыводном варианте, базу используют очень редко, поскольку это приводит к снижению чувствительности и используется в для настройки. Фототранзистор можно вывести из рабочего режима, подведя к базе достаточно большой ток, который приведет к ее перенасыщению. При наличии выводов только базы и коллектора можно использовать фототранзистор в качестве фотодиода, благодаря чему улучшается частотная характеристика.

Характеристика чувствительности к освещенности фототранзистора менее линейная чем у фотодиода.

Пироэлектрические приемники.

Пироэлектрические приемники реагируют на изменения температуры, а значит и на изменения освещенности чувствительного слоя. Чтобы пироэлектрический приемник среагировал, достаточно разности температуры между объектом и окружающей средой в 5 ?С.

Чувствительным элементом датчика, преобразующего тепловое излучение в заряд является пироэлектрический элемент. Пироэлектрический приемник является пассивным приемником ИК излучения, он не нуждается в искусственном источнике излучения подсветки. Почти все пироэлектрические приемники, встречающиеся в продаже, имеют встроенный усилитель сигнала датчика.

Датчик с пироэлектрическими приемниками используются в системах сигнализации, автоматическом включении освещения, открытия дверей, кранов, включения сушилок для рук, наблюдения за животными и т.д.

Пироэлектрические приемники способны работать в широком спектральном диапазоне излучения: от ультрафиолетового до волн длиной 0,3 мм. Наиболее часто в датчиках используется оптический диапазон 6-16 мкм.

Спектр рабочих длин волн ограничивается путем установки оптического фильтра перед пироэлектрическим приемником, который ведет себя как конденсатор, заряжающийся менее чем на 1 мВ при изменении температуры чувствительного слоя под воздействием падающего излучения. Поскольку необходимо, чтоб эти изменения происходили как можно быстрее, чувствительные элементы изготавливают в виде очень тонких пластинок или пленок. Тем не менее требуется несколько десятых долей секунды для того, чтобы выходное напряжение приемника достигло максимального значения после изменения температуры. В действительности напряжение конденсатора никогда не достигает теоретического максимума, так как конденсатор разряжается из-за проводимости своего диэлектрика. Таким образом, изменение температуры запоминается лишь на несколько секунд.

Автор: Герман Шрайбер Инфракрасные лучи в электронике.


Код для размещения на форумах или блоге

«
»