Материал: 00368

Зависимость фототока в цепи фоторезистора нелинейна, причем нелинейность зависит от освещенности. Постоянная времени прессованных резисторов наибольшая, у монокристаллических — наименьшая. С ростом освещенности инерционность уменьшается.

Главным достоинством фоторезисторов являются простота их устройства и низкая стоимость, главные недостатки — заметная инерционность (по сравнению с другими фотоэлектрическими преобразователями) и температурная и временная нестабильность. Варианты конструктивного выполнения фоторезисторов — герметизированный металлостеклянный корпус, пластмассовый корпус, бескорпусное исполнение).

Фотоэлектрические приемники, в которых под действием излучения возникает фотоЭДС, называются вентильными фотоэлементами, или фотоэлементами с запорным слоем. Они выполняются на основе полупроводниковых p-n переходов и могут использоваться не только в вентильном, но и в диодном режиме — с внешним источником обратного напряжения, поданного на фотодиод.

Структура фотодиода представлена на рис.4. На рис.5 представлены спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2) фотодиодов. Кремний и германий являются основными материалами для изготовления фотодиодов.

Рис.4. Структура фотодиода.

Рис.5. Спектральные характеристи­ки германиевого (1) и кремниевого (2) фо­тодиодов.

Обратный ток кремниевых p-n переходов существенно меньше, чем у германиевых. Поэтому порог чувствительности кремниевых фотодиодов порядка 10^-13

10^-14 Вт/Гц^1/2, у германиевых — порядка 10^-12 Вт/Гц^1/2. Кремниевые фотодиоды работают в более широком интервале температур.

В диодном режиме фотоприемники имеют существенные преимущества по сравнению с вентильным режимом (большее быстродействие, лучшая стабильность, больший динамический диапазон, большая чувствительность в ИК-области. Недостатком диодного режима является наличие темнового тока.

На рис.6 представлены частотные характеристики кремниевых фотодиодов p-типа (а) в вентильном и диодном режиме и n-типа (б) в диодном режиме.

Рис.6. Частотные характеристики фотодиода на основе кремния р-типа (а) и п-тила (б) при напряжении 1 - 0 В; 2 - 1 В; 3 - 4 В; 4 - 10 В; 5 - 100 В; 6- 15 В; 7- 150 В.

Рис.7. Структура p-i-n (а), лавинного (б) и гетерофотодиода (в).

Имеются важные разновидности фотодиодов — p-i-n диоды — а, лавинные — б и гетерофотодиоды — в (рис.7) и др.

В p-i-n диодах имеются три области — сильнолегированная n⁺-область, область с малой концентрацией примеси (i-область) и сильнолегированная р⁺-область.

В лавинных фотодиодах реализуется усиление тока, обусловленное умножением числа носителей за счет ионизации атомов кристаллической решетки. Гетерофотодиоды используют слоистую структуру из разных полупроводниковых материалов.

Преимущество этих трех реализаций состоит в том, что достигается высокая чувствительность при высоком быстродействии.

Полоса пропускания p-i-n фотодиода увеличивается для А=0,63 мкм от 0,4 МГц (V=0 B) до 170 МГц при V=100B. Для излучения с А=0,91 мкм полоса пропускания изменяется от 0,4 МГц при V=0B до 240 МГц при V=100B (рис.8) На рис.9 показана спектральная характеристика гетероэпоксиального p-i-n диода с гетеропереходом тонкого р-слоя Ga_i-x Al_xAs и p и n слоев GaAs. Видно, что фотодиоды такого типа с успехом могут использоваться в видимой и ультрафиолетовой области спектра. Такие фотодиоды имеют расширенный температурный диапазон использования.

Лавинные фотодиоды на основе кремния обладают внутренним усилением до 10³, высокой чувствительностью до 100 А/Вт на длине волны λ=0,9 мкм, малой инерционностью — до 0,5 не, низким порогом — до 10^-15 Вт/Гц^1/2.

Рис.9. Частотные характеристики p-i-n-фотодиода: пунктирная линия λ = 0,63 мкм; сплошная линия — λ = 0,91 мкм. Напряжения 1 — 0 В; 2 — 20 В; 3 — 50 В; 4 — 100 В.

Рис.10. Структура биполярного фото­транзистора.

Рис.11. Спектральная характеристика p-i-n-диода с гетеропереходом Ga_1-x Al_x As-GaAs.

Рис.12. Структура полевого фототранзистора.

Приведем основные параметры лавинного фотодиода ЛФД-2.

Диаметр фоточувствительной площадки 200 мкм. Имеет металлокерамический корпус со стеклянным окном. Масса около 2 г. Рабочее напряжение при коэффициенте умножения фототока 10 и сопротивлении нагрузки 1 кОм от 16 до 25 В. Темновой ток при напряжении 8±1 В - не более 1 мкА. Спектральная чувствительность на длине волны 0,632 мкм —0,15 А/Вт, на длине волны 1,06 мкм—0,5 А/Вт. Порог чувствительности при сопротивлении нагрузки 1 кОм на длине волны 1,06 мкм —5-10 Вт. Верхняя граничная частота 1 ГГц.

Биполярный фототранзистор имеет два p-n перехода. Фотовоспринимающей частью является освещаемая часть перехода база-коллектор (рис.10). Следует только иметь в виду, что во столько же раз, во сколько фототранзистор усиливает фототек и во сколько увеличивается интегральная чувствительность по сравнению с аналогичным фотодиодом, во столько уменьшается предельная частота, т.е. произведение коэффициента усиления на ширину полосы остается неизменным и соответствует этой величине для фотодиода. Спектральные характеристики фототранзисторов из германия и кремния аналогичны этим характеристикам фотодиодов. Структура полевого фототранзистора представлена на рис.11. Такие транзисторы характеризуются высоким входным сопротивлением (до 10⁶ Ом) и имеют хорошие пороговые характеристики, высокое быстродействие (вследствие отсутствия инжекции и диффузионной емкости на входе). Эти фототранзисторы имеют лучшую температурную стабильность и повышенную радиационную стойкость по сравнению с биполярными фототранзисторами.

В тепловых фотоприемниках энергия оптического излучения преобразуется в тепловую при ее поглощении приемной площадкой. Приемная площадка покрывается высокопоглащающим покрытием с коэффициентом черноты более 0,9. Такие покрытия не селективны и поглощают интегральный тепловой поток во всем диапазоне длин волн падающего излучения. Приемная площадка изолируется от конструкции фотоприемника, благодаря чему по измерению температуры нагрева площадки можно судить о величине падающего потока излучения.

По способу измерения температуры приемника тепловые фотоприемники подразделяются на термоэлектрические, болометрические, пироэлектрические.

Термоэлектрические приемники используют фольговые термобатареи. Для повышения чувствительности и быстродействия таких приемников уменьшают размеры приемных площадок. Так, в радиационных термометрах для измерений температуры в диапазоне - 60...+100 °С используют приемные площадки диаметром 3 мм, с поглощением излучения в области от 0,4 до 25 мкм, с чувствительностью 0,1 В/Вт и постоянной времени 0,4 с.

В болометрах используется терморезистивный способ измерения температуры. Приемной площадкой является сам чувствительный элемент с теплопоглощающим покрытием. В качестве терморезистивного материала используются металлы или полупроводники в виде автономной фольги либо пленки, нанесенной на изоляционную подложку. Порог чувствительности таких болометров находится на уровне 10^-6 К.

В радиационных пирометрах используется модификации болометров БММ 1x1, БММ 1x2, БКМ-2, БКМ-4.

Рис.12. Схематическое устройство пироприемника.

Пироэлектрические приемники используют сегнетоэлектрики, обладающие высокой чувствительностью к нагреву. Схематическое устройство пироэлектрического приемника представлено на рис.12. Сегнетоэлектрик 2, помещенный на подложку 4 в виде пленки имеет поглощающее покрытие 1. При падении теплового потока и нагреве сегнетоэлектрика на его электродах возникает электрический заряд, и в цепи протекает ток. Пироэлектрические приемники обладают сверхчувствительностью до 10^-8 К. Так, в радиационных пирометрах для измерений температуры ±50 °С используются пироэлектрические приемники МГ-30 имеющие порог чувствительности до 10^-9 Вт и чувствительность около 1000 В/Вт при выходном сопротивлении около 50 Ом.

3.10. Принципы преобразования в волоконно-оптических датчиках физических величин.

По принципу действия все волоконно-оптические датчики физических величин делятся на четыре класса в соответствии с тем, какой из параметров оптической волны, распространяющейся по волокну, используется для получения информации об измеряемом физическом воздействии:

(2.6)

Е_m — амплитуда электрического поля, фаза Ф, состояние или направление поляризации электрического вектора p, или частота ω.

Принцип действия обобщенного волоконно-оптического датчика состоит в следующем [50-52]. Оптическое излучение от источника проходит через передающий оптический канал на чувствительный элемент (ЧЭ), находящийся под воздействием измеряемой величины. В результате физического воздействия оптические свойства ЧЭ изменяются, что в свою очередь приводит к изменению параметров оптического излучения. Далее преобразованное оптическое излучения через приемный оптический канал поступает на регистрирующее устройство. Структура преобразований в волоконно- оптическом датчике показана на рис. 1.

В основу классификации волоконно-оптических датчиков целесообразно положить различия оптических схем модуляции света. Это датчики, действие которых основано на амплитудной модуляции света, фазовой модуляции света (интерференционные), поляризационные датчики, частотные датчики.

1. Волоконно-оптические датчики с амплитудной модуляцией различаются способом осуществления модуляции, в частности, имеются датчики с изменяемым коэффициентом поглощения материала чувствительного элемента; отражательно-пропускательного типа (со шторками, встречными решетками, с относительным перемещением источников и приемников излучения); с нарушением полного внутреннего отражения (с изменяемой площадью оптического контакта, с изменяемым показателем преломления); на основе управления излучением в световодах (управляемая связь световодов, преобразование мод и т.п).

Чувствительный элемент в таких датчиках представляет собой либо специально встроенное в волоконно-оптический тракт модулирующее устройство, либо введенную в волоконную линию нерегулярность (разрыв, изгиб и т.д.). Такие нерегулярности могут существенно менять амплитудную передаточную характеристику волокна. Для детектирования модулированного светового сигнала применяется обычная методика фотодетектирования.

Рис.1. Структура преобразований в ВОД.

2. Волоконно-оптические датчики с фазовой модуляцией (интерференционные) представляют собой устройства, регистрирующие изменения фазы оптического излучения, распространяющегося по оптическому каналу. Эти датчики используют эффект накапливающегося изменения фазы в протяженном отрезке волокна. Изменения возникают при внешнем воздействии на материал канала и регистрируются интерферометрическим методом при наложении сигналов измерительного и контрольного каналов. В основу действия датчиков фазовой модуляции положен один из трех принципов: интерферометра Маха-Цендера (волоконно-оптические, интегральные); межмодовой интерференции - двухмодовые, многомодовые, с модами одной (или разной) поляризации; одноволоконного интерферометра с двунаправленной оптической связью .(оптические, волоконные); известны также датчики на основе интерферометра Фабри-Перо.

Для детектирования сигнала фазовых волоконно-оптических датчиков необходимо применять когерентные методы — гомо- и гетеродинное детектирование.

3. Поляризационные датчики основаны на зависимости изменения поляризации излучения при прохождении его через оптические среды, находящиеся под воздействием измеряемой величины.

Для детектирования поляризационно-модулированного сигнала применяется схема с скрещенными поляроидами.

4. Частотные датчики представляют собой устройства, в которых исследуемое физическое воздействие изменяет частоту ω генерируемого, отраженного или пропускаемого света.

Проведенный анализ ВОД с амплитудным представлением измерительной информации показал их невысокую устойчивость к дестабилизирующим воздействиям [53].

Применение поляризационного представления измерительной информации требует специальной элементной базы (световодов, ответвителей и др.), сохраняющей плоскость поляризации проходящего излучения. Создание такой элементной базы находится в настоящее время на начальной стадии, поэтому ВОД с поляризационным представлением измерительной информации пока не могут составить конкуренцию другим видам ВОД.

При передаче измерительной информации путем модуляции фазы оптической волны возникают проблемы с мультиплексированием информации (т.е. с передачей по одному общему световоду измерительной информации от нескольких датчиков). Кроме того, в связи с высокой частотой оптических волн, даже незначительные деформации световодов, вызванные дестабилизирующими воздействиями, приводят к паразитной модуляции фазы передаваемого излучения. Это определяет низкую устойчивость фазовых ВОД к дестабилизирующим воздействиям.

Более перспективно использование цифровых методов передачи информации в ВОД, отличающихся, с одной стороны, удобством и простотой мультиплексирования измерительной информации, а с другой — высокой устойчивостью к дестабилизирующим воздействиям. Достоинством цифровых методов передачи информации является также удобство сопряжения с ЭВМ, общая элементная база с цифровыми волоконно-оптическими линиями связи. Однако в настоящее время круг ВОД с цифровым выходным сигналом достаточно ограничен. Использование же дополнительных устройств для преобразования аналоговых выходных сигналов ВОД в цифровую форму, как правило, приводит к необходимости двойного оптоэлектронного и электрооптического преобразования, а следовательно, резко ухудшает массогабаритные показатели, повышает энергопотребление, снижает помехозащищенность информации.

В то же время частота оптической волны, частота и фаза сигнала, модулирующего оптическое излучение, при распространении его по световоду практически не зависят от дестабилизирующих воздействий. Это обусловлено слабым влиянием интенсивности излучения на данные параметры, а, следовательно, и на измерительную информацию.

Таким образом, с точки зрения создания ВОД физических величин, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям, наиболее перспективными являются направления создания ВОД на основе использования в качестве информационных характеристик частоты и фазы сигнала, модулирующего интенсивность оптического излучения, а также частоты оптической волны [53].

При частотном представлении измерительной информации, кроме того, существенно упрощается построение мультиплексных сетей ВОД.

Амплитудные ВОД (или ВОД с модуляцией интенсивности).

Волоконно-оптические датчики данного типа можно разделить на два класса: отражательные и проходные. С точки зрения функциональных особенностей разработаны датчики с оптическим преобразователем на конце волокна и датчики, в которых оптическое волокно используется только в качестве зонда, подводящего и отводящего оптическое излучение от исследуемого объекта.

Примером первого типа являются датчики температуры с закрепленной на торце волокна пленкой полупроводникового материала с зеркалом, поглощение света в которой изменяется от температуры; датчики давления, перемещения, температуры на основе, закрепленной на торце волокна мембраны. Примером второго типа являются датчики для наблюдения фотолюминесценции или отражательной способности какого-либо объекта. С конструктивной точки зрения ВОД отражательного типа могут быть выполнены как одноволоконные с разветвителем, так и двухволоконные, а также на основе жгута оптических волокон.

Рис. 2. Волоконно-оптические датчи­ки отражательного типа: 1 — источник оптического излучения; 2 — фотоприем­ник: 3 — волоконно-оптический раэветвитель; 4, 7 — зеркала (опорного канала и из­мерительного); 5 — отрезок оптического во­локна; 6 — преобразователь отражательного типа; 8,8’^: — полосовые электронные филь­тры; 9 — измеритель отражения сигналов.