Fotoelektrické snímače

Úloha je zaměřena na měření světelných charakteristik fotoelektrických prvků (součástek). Pro měření se využívají fotoodpor, fototranzistor a fotodioda.

Zadání

 

1.     Seznamte se s předloženými součástkami pro detekci světelného záření..

  1. Proveďte na měřicím přípravku měření:

·         Světelné charakteristiky fotoodporu

·         Světelné charakteristiky fototranzistoru

·         Světelné charakteristiky fotodiody v hradlovém a odporovém zapojení

 

3.    Určete vliv různých zdrojů osvětlení (LED dioda a žárovka) na světelnou charakteristiku uvedených fotodetektorů.

 

4.    Spočítejte rovnice regresních přímek v lineárních úsecích statických charakteristik, proveďte celkové zhodnocení a srovnání.

Schéma zapojení

Na obr. 1 je znázorněno odporové zapojení s fotoodporem, fotodiodou a fototranzistorem, kdy do série s měřidlem a snímačem je zapojen stejnosměrný zdroj proudu.

Na obr.1d je hradlové zapojení fotodiody, která pracuje jako aktivní fotočlánek.

 

Obr. 1 Odporové zapojení a) fotoodporu  b) fotodiody  c) fototranzistoru  d) hradlové zapojení diody

Fotosnímače lze principiálně zapojit v odporovém nebo hradlovém režimu. Podle aplikací plní fotosnímače různou funkci:

a)  dopadající světlo mění na stejnosměrný proud (napětí), jehož velikost je přímo úměrná intenzitě osvětlení (fotometr),

b)  dopadající záření převádějí na elektrický signál, jehož amplituda se mění skokem, zvětší-li se intenzita osvětlení nad určitou hodnotu (fotorelé),

c)  dopadající světlo mění na pulsní napětí, jehož kmitočet je úměrný intenzitě osvětlení.

 

 

Teoretický rozbor

V optoelektronice rozumíme pod pojmem detektor prvek, který převádí zářivou energii na jinou měřitelnou veličinu, např. elektrický proud, napětí apod.

Fotodetektory podle principu dělíme do dvou skupin. U první skupiny, kterou tvoří teplené detektory, způsobují tepelné účinky dopadajícího záření změnu teploty detektoru a tím i změnu některého jeho teplotně závislého parametru. Druhou skupinu tvoří kvantové detektory, u nichž dochází k přímé interakci mezi elektrony materiálu detektoru a fotony dopadajícího záření. Velkou skupinu kvantových detektorů tvoří fotoelektrické detektory – fotonky. Jejich funkce je založena na využití vnějšího nebo vnitřního fotoelektrického jevu, popsaného vztahem:

                                         (1)

 kde:

h - Planckova konstanta (6,625 x 10-34 Js)

me - hmotnost elektronu (9,109 x 10-31 kg)

v - rychlost elektronu opouštějícího povrch fotokatody

Ae - výstupní práce elektronu

Vnější fotoelektrický jev se projevuje průchodem elektrického proudu způsobeného vyraženými elektrony od fotokatody k anodě v případě, že výstupní práce Ae elektronu z objemu materiálu na jeho povrch je menší než energie dopadajícího kvanta záření s energií hv. Vnější fotoelektrický jev byl využíván vakuovými a plynovými emisními fotonkami.

Vnitřní fotoelektrický jev se projevuje změnou elektrické vodivosti citlivé vrstvy fotodetektoru vlivem ozáření. Fotonky založené na změně fotoelektrické vodivosti se nazývají fotoelektrické odpory. Dalším projevem vnitřního fotoelektrického jevu je vznik fotoelektrických napětí na rozhraní dvou oblastí s odlišným typem vodivosti, na které dopadá záření. Tento jev se nazývá fotonapěťový a fotosnímače založené na jeho využití fotodiody. Zapojení fotodiody s předpětím v závěrném směru, v niž pohlcené záření vyvolává změnu protékajícího proud, se nazývá odporové zapojení fotodiody.

Hradlové zapojení fotodiody se vyznačuje tím, že pohlcené záření vytvoří elektrické napětí vlivem fotonapěťového jevu, tj. postupnou koncentrací majoritních nosičů náboje v příslušných částech přechodu PN (kladný v oblasti P, záporný náboj v oblasti N).

Z toho plyne, že fotodioda je aktivní typ snímače – sama je zdrojem elektrické energie, vzniká přeměnou energie dopadajícího elektromagnetického záření.

Fotodetektor, který má dvě struktury PN a zesiluje tak fotoelektrický proud vzniklý v oblasti ozářeného přechodu PN se nazývá fototranzistor.

Vlastnosti přijímačů záření jsou charakterizovány několika důležitými veličinami:

Spektrální citlivost  fotosnímače je definována vztah:

                                      (2)

kde:

 – monochromatický zářivý tok

 – fotoelektrický výstupní proud

 – fotoelektrický výstupní napětí

Grafické znázornění relativní spektrální citlivosti na vlnové délce dopadajícího záření nazýváme spektrální charakteristikou snímače.

Kvantová účinnost η přijímače záření je definována jako:

                                     (3)

kde:

 - je fotoelektrický výstupní proud [ A ]

 - je fotoelektrické výstupní napětí [ V ]

R - zatěžovací odpor [ Ω ]

P - výkon záření dopadajícího na snímač [ W ]

N - kmitočet dopadajících fotonů

e - náboj elektronu (1,602 x 10-19 C)

U detektorů s vnějším fotoelektrickým jevem dosahuje η maximální hodnoty 30%, u fotosnímačů s vnitřním fotoefektem je blízké až 100%, přičemž existuje mezní vlnová délka, kdy je kvantová účinnost nulová. Platí dále vztah:

                                          (4)

kde:

A - zesilovací proudový činitel fotonásobiče, fotoodporu nebo lavinové diody

Voltampérová charakteristika fotodetektoru udává závislost fotoproudu na přiloženém napětí při určitém konstantním světelné toku .

Světelnou charakteristiku fotopřijímače lze získat ze skupiny křivek, odpovídajících řadě hodnot  jako závislost fotoproudu  na světelném toku .

Frekvenční charakteristika charakterizuje citlivost snímače na vlnovou délku záření. Citlivost detektoru je pro nižší kmitočty přibližně konstantní, pro vyšší kmitočty klesá až k nule.

Časová konstanta fotodetektoru t je čas, během něhož vzroste fotoproud (při skokové změně osvětlení) na 63,2 % ustálené hodnoty.

Práh citlivosti je nejmenší hodnota zářivého toku nebo osvětlení, která může být indikována snímačem. Je dán úrovní šumu ve snímači a v jeho elektrickém obvodu, velikostí citlivé plochy fotodetektoru, šířkou pásma propustnosti (zářivý světelný ekvivalent šumu NEP, detektivita D*).

Proud za tmy je fotoproud na výstupu fotosnímače, na jehož účinnou plochu nedopadá zářivý tok. S chlazením snímače klesá jak proud ze tmy, tak šum.

 

Typy fotosnímačů

a)  Fotonky a fotonásobiče využívají vnějšího fotoefektu, kdy fotokatoda emituje při dopadu záření z povrchu elektrony a ty mohou být u fotonásobičů dále urychleny a sekundární emisí na pomocných anodách rozmnoženy. Fotonky jsou jednoduché, mají dobrou linearitu světelné charakteristiky, velmi dobré kmitočtové vlastnosti (t = 0,1ns). Fotonásobiče jsou vhodné pro měření malých světelných výkonů, vyžadují zdroj vysokého napětí, časová konstanta řádově 10ns, jsou konstrukčně složité.

b)  Fotoodpor je tvořen polovodičovou binární sloučeninou (např. CdS, PbS, InSb, atd.) ve tvaru tenkého pásku naneseného na vhodné podložce v pouzdře. Vykazuje velmi vysokou citlivost  = 1mA/Lumen, výkonově je zatížitelný do 100mΩ a odpor za tmy dosahuje řádově MΩ. Nevýhodou je poměrně vysoká setrvačnost (t > 1ms) a teplotní závislost. Světelné charakteristiky jsou u fotoodporů nelineární, především v oblasti větších osvětlení. Vykazují u téhož typu značný rozptyl parametrů.

c)  Fotodiody a fototranzistory jsou tvořeny z monokrystalického materiálu s PN nebo PIN přechodem mezi rozličně dotovanými polovodiči nebo mezi polovodičem a kovem (Schottkyho diody). Vysokou citlivost vykazují lavinové (Avalanchovy) fotodiody, využívající mechanismu lavinového zesílení nosičů náboje v oblasti PN přechodu. Fotodiody mají malou setrvačnost (t = 1 ms), dobrou časovou stabilitu, ale i větší proud za tmy. Mohou pracovat v odporovém nebo hradlovém zapojení. Fototranzistor obsahuje dva PN přechody s větší citlivostí než fotodioda, horšími dynamickými vlastnostmi (t = 0,5ms) i proudem za tmy.

 d)  Hradlové fotočlánky využívají hradlového jevu na PN přechodu a pracují bez vnějšího zdroje (např. Ge, Si diody nebo selenové fotočlánky). Kromě měřicích účelů (expozimetry, luxmetry) jsou využívány ve vhodné úpravě a zapojení jako nekonvenční zdroje k přeměně slunečního záření na napětí pro výkonové použití.

Tabulka 1 Parametry hlavních představitelů fotoelektrických snímačů

Parametr

Fotoodpor

Fotodioda

Fototranzistor

Fototyristor

Nejvyšší provozní teplota - şC

65 şC

100 şC

100 şC

100 şC

Nejvyšší pracovní napětí - V

500

< 50

50

400

Proudová zatížitelnost – mA

100

1

10

500

Maximální ztrátový výkon - mW

500

50

50

500

Maximální kmitočet - kHz

1

103 ÷ 106

80

1

Spektrální oblast - µm

CdS 0,5 ÷ 0,75

PbS 0,4 ÷ 3

Si 0,4 ÷ 0,9

Ge 0,4 ÷ 2

Si 0,4 ÷ 1

Si 0,4 ÷ 1

Postup měření

  1. Seznamte se s předloženými součástkami pro detekci světelného záření a určete podle katalogu jejich parametry, které zapište do vhodně zvolené tabulky
  2. Proveďte měření na měřicím přípravku s řízeným zdrojem osvětlení a s vestavěnými fotosnímači, které jsou zapojeny dle obr. 2
  3. Zapojte v odporovém režimu dle obr. 1 fotoodpor, fotodiodu a fototranzistor a změřte jejich světelné charakteristiky v závislosti na intenzitě osvětlení E [Lx]. Měření s barevnými filtry provádějte pro všechny fotosoučástky při stejných intenzitách osvětlení E.
  4. Zapojte v hradlovém režimu fotodiodu dle obr. 1d a změřte její světelnou charakteristiku pro zatěžovací odpor Rz = 0.
  5. Určete vliv výměnných filtrů na světelnou charakteristiku uvedených fotosnímačů.
  6. Určete koeficienty regresních přímek světelných charakteristik vybraných snímačů a proveďte celkové zhodnocení a srovnání.

 

Obr. 2 Měřící přípravek pro fotoelektrické snímače 1. Řízený napájecí zdroj 2. Žárovka 3. Výměnný spektrální filtr 4. Panel s fotodetektory záření 5. Luxmetr se sondou

 

Tabulka 2 Tabulka naměřených hodnot

Zvolená součástka

Měření

Proud I [mA]

Intenzita osvětlení E [Lx]

1

X

80

2

y

160

3

z

320

 

Kontrolní otázky

  1. Vysvětlete pojem vnějšího a vnitřního fotoefektu a jeho využití v konkrétních fotosnímačích.
  2. Co to je světelná charakteristika snímače a jak ji měříme?
  3. Co to je spektrální charakteristika fotosnímače, jaký má význam?
  4. Zapamatujte si přibližně časové konstanty fotodetektorů.