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.
см.
Схема включения
фотодиода.
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 β 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
ºС.
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.
Используемая
литература: Герман Шрайбер Инфракрасные
лучи в электронике.
