Фотодатчики — устройство, типы и виды фотодатчиков

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом состоят из стеклянного баллона 1, из которого выкачан воздух:

Катодом в них выступает часть внутренней поверхности баллона 2, покрытая светочувствительным слоем (в основном из оксидов щелочных металлов C s Cs Cs, R b Rb Rb, К К К, N a Na Na), катод освещается сквозь прозрачную часть баллона 1. Анодом является полусферическая металлическая ложечка 3, размещенная в центре баллона. Катод и анод соединен с двумя штырьками 4, с помощью которых фотоэлемент включается в электрическую цепь. Чтобы увеличить фототок вследствие ионизации газа, фотоэлементы наполняют инертным газом. На рисунке выше показаны образцы современных фотоэлементов и их маркировка: СЦВ-4 (сурьмяно-цезиевый вакуумный) и ЦГ-3 (цезиевый газонаполненный). При рабочем напряжении 240 В чувствительность вакуумного фотоэлемента составляет 8 · 10-5 А / лм.

Полупроводниковые фотоэлементы

Полупроводниковый фотоэлемент – это прибор с выпрямляющим переходом для непосредственного преобразования световой энергии в электрическую.

Рассмотрим p-n переход при освещении при прямом напряжении (рис. 6.6). Такой режим называется режимом генерации фотоэдс, т.к. происходит генерация носителей заряда. Электрическое поле их разделяет, в результате накопления электронов в n-области и дырок в р-области возникает дополнительная разность потенциалов – фотоэдс.

Фотоэлементы применяют в виде солнечных батарей. Обычно для этого используется Si. В p-Si p-n переход создается диффузией P или Sb.

Характеристики фотоэлементов:

– точка пересечения ВАХ с осью напряжения соответствует значениям фотоэдс

или
напряжениям холостого хода
при разных освещенностях ( у Si это 0,5 – 0,55 В);

– точка пересечения с осью тока соответствует токам короткого замыкания

( у Si это 20 – 25 мА/см2);

– световая характеристика

– зависимость фотоэдс и тока короткого замыкания от светового потока или освещенности;

– спектральная характеристика

– зависимость тока короткого замыкания от длины волны. Спектральная зависимость фотоэлементов аналогична спектральным характеристикам фотодиодов, изготовленных из того же полупроводника. Максимум спектральной зависимости кремниевых фотоэлементов соответствует максимуму спектрального распределения энергии солнечного света. Поэтому именно фотоэлементы из Si используют для создания солнечных батарей;

– коэффициент полезного действия

– это отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, падающего на рабочую поверхность. К.п.д. кремниевых фотоэлементов при преобразовании солнечной энергии не превышает 12 %. Его можно повысить, если вместо Si использовать CdTe, GaAs или другие материалы с большей шириной запрещенной зоны, чем у Si, или используя фотоэлементы с гетеропереходами.

Фототранзисторы

Структура биполярного транзистора изображена на рис. 6.7. Транзистор включают по схеме с общим эмиттером. Базовый вывод не подключают (IБ = 0). Неосновные носители заряда (дырки в n-базе и электроны в р-коллекторе) втягиваются в коллекторный переход, проходят через него и создают фототок IФ . Накопленные в базе неравновесные основные носители понижают высоту потенциальных барьеров эмиттерного и коллекторного переходов. Увеличивается инжекция дырок из эмиттера в базу. Возрастает и ток коллектора. Накопленный в базе дополнительный заряд неравновесных основных носителей обеспечивает усиление фототока. Поэтому фототранзистор можно рассматривать как фотодиод, соединенный с транзистором: первый выдает фототок IФ базы, а второй обеспечивает усиление.

Рис. 6.7. Структура биполярного фототранзистора

При подключении вывода базы к внешней схеме часть неравновесных носителей уходит из базы, что ведет к понижению фототока. Поэтому наибольшая чувствительность к облучению светом базовой области будет при включении по схеме с общим эмиттером и отключенной базой. В связи с этим в первых конструкциях биполярных фототранзисторов вывод базы отсутствовал. В настоящее время его делают для электрического управления работой, для компенсации внешних воздействий.

Основные параметры фототранзисторов определяются аналогично параметрам фотодиодов. Например, параметры германиевого транзистора ФТ-1: Uраб = 3 В, Iт = 300 мкА, К = 170 – 500 мА/лм, τс = 200 мкс, светочувствительная площадка 2 мм2.

Датчики ИК-излучения

Для ИК-диапазона 0,8 – 12 мкм существует множество датчиков на основе PbSe, PbS, InAs, InSb, Ge, а также пироэлектрические детекторы. Важная область использования таких датчиков – обнаружение людей (например, при защите от взлома и др.). В спектральном составе ИК-излучения человеческого тела при температуре около 36 °С (рис. 6.8) максимум излучения соответствует длине волны 10 мкм.

Рис. 6.8. Распределение интенсивности ИК-излучения,

испускаемого лампой накаливания и человеческим телом

.

Для этого спектрального диапазона могут быть использованы только широкополосные ИК-датчики типа пироэлектрических детекторов

. При резком воздействии ИК-излу-чения на пироэлектрический детектор, вызывающем его нагрев, напряжение (или ток в зависимости от схемы) изменяется лишь кратковременно, а затем спадает до нуля даже при сохранившемся действии облучения.

Природа пироэлектрического эффекта связана со спонтанной поляризацией Р, являющейся функцией температуры. Спонтанная поляризация – результат несовпадения центров положительных и отрицательных зарядов. Обычно измеряется не сама спонтанная поляризация (она компенсируется полями свободных электрических зарядов, натекающих на поверхность изнутри и извне), а ее изменение ∆Р при быстром изменении температуры ∆Т. Изменение поляризации с температурой определяется пироэлектрическим коэффициентом:

p = dP/dT. (6.6)

Если материал может свободно расширяться, что наблюдается в приемниках излучения, влияние расширения на поляризацию (вторичный пироэлектрический эффект) включается в величину Р.

Пироэлектрический эффект проявляется в материалах, кристаллическая решетка которых не обладает центральной симметрией, направление поляризации определяет некая полярная ось. Это явление наблюдается в кристаллах турмалина, CdS, CdSe, ZnO, ZnS. Например, в турмалине при изменении температуры на 1 К возникает электрическое поле Е ≈ 400 В/см. Изменение поляризации в пироэлектриках может происходить и под действием механических напряжений (пьезоэлектрический эффект), но не наоборот – рис. 6.9. Важную группу пироэлектриков составляют сегнетоэлектрики. Поляризация сегнетоэлектриков исчезает выше их точки Кюри. Характеристики пироэлектрических материалов приведены в табл. 6.3. Метрологические параметры пироэлектрических приемников излучения: токовая чувствительность – 0,1 – 10 мкА/Вт; чувствительность по напряжению – до 105 В/Вт; постоянная времени (время нарастания сигнала) – 10-9 – 10-7 с; полоса пропускания – 103 Гц – 102 МГц.

Рис. 6.9. Классификация диэлектриков

Таблица 6.3

Характеристики пироэлектриков

Контрольные вопросы

1. Как можно объяснить спектральную характеристику фоторезистора?

2. Какими параметрами характеризуется фоторезистор?

3. Каковы отличия в свойствах фотодиодов и фоторезисторов?

4. На основе каких структур можно изготовить фотодиод и каковы основные отличия в свойствах фотодиодов на основе различных выпрямляющих электрических переходов?

5. Как в фотоэлементе происходит непосредственное преобразование световой энергии в электрическую?

6. Каков принцип действия биполярного фототранзистора?

7. Какова природа пироэлектрического эффекта?

8. Какие датчики используются для обнаружения человека?

9. На основе каких материалов можно изготовить фотодетекторы для ИК- области спектра, работающих в диапазоне «атмосферного окна» 8 – 14 мкм?

ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ

Знание влажности воздуха и других газов необходимо для контроля физико-химических и биологических процессов. Перечислим основные области использования датчиков влажности:

– бытовое кондиционирование воздуха. Значения относительной влажности, соответствующие ощущению комфорта, составляют от 35 до 70 %. При более низкой влажности возникает раздражение дыхательных путей, появляется статическое электричество; при очень высокой влажности происходит ослабление кожного дыхания и потоотделения. Кроме того при поддерживании высокой влажности возрастают энергозатраты;

– кондиционирование воздуха в промышленности. В зависимости от типа производства требования к влажности сильно отличаются: в текстильной промышленности влажность должна быть постоянной, так как ее изменения приводят к изменению натяжения волокна и влияют на работу станков. В пищевой промышленности условия хранения различных продуктов требуют различной влажности: для одних продуктов желательна стабильная температура (немного выше 0 °С) при очень высокой влажности – 85 – 90 %, для других – высокая влажность может привести к появлению плесени, а низкая – к потери массы за счет испарения;

– обнаружение следов водяного пара. Многие технологические процессы требуют отсутствия следов водяного пара. В микроэлектронике содержание влаги в корпусах интегральных схем не должно превышать 500 молекул воды на миллион молекул воздуха, на операциях сборки – не более 50 молекул, при эпитаксии кремния – менее одной. Датчики относительной влажности для измерения десятитысячных долей процента требуются в металлургии, ядерной энергетике, теплотехнике, электроэнергетике.

Единицы измерения влажности

Содержание влаги измеряется в единицах абсолютной влажности, парциального давления паров воды, объемного влагосодержания, относительной влажности и температуры точки росы.

Абсолютная влажность

измеряется в граммах воды на кубический метр.

Парциальное давление

паров воды измеряется в гектопаскалях (104 Па).

Объемное влагосодержание

(объемная концентрация паров воды) определяется как отношение объема паров воды к общему объему паровой смеси и выражается в объемных процентах или в единицах ppm (одна часть на миллион).

Относительная влажность

измеряется в процентах и определяется как отношение парциального давления паров воды к давлению насыщенных паров при данной температуре.

Температура точки росы

– это температура, при которой начинается конденсация паров воды, содержащихся в газе при его изобарическом охлаждении. Соотношение между различными единицами влажности при 21 °С приведено в таблице.

Методы измерения влажности

Методы измерения влаги в газах и жидкостях можно разделить на прямые и косвенные. Прямые методы основаны на непосредственном выделении влаги из анализируемой среды с последующим определением ее количества. Косвенные методы основаны на измерении какой-либо физической величины, связанной с влагосодержанием среды. Датчики влажности (или гигрометры) можно разбить на две большие группы: температурно-градиентные (психрометрические и конденсационные) и сорбционные (кулонометрические, сорбционно-импедансные и пьезосорбционные).

Соотношение между различными единицами влажности

при температуре 21 °С

Конденсационные датчики

Конденсационный метод (метод точки росы) основан на фиксации температуры конденсации паров воды в газовой фазе. Для работы датчика необходимо регулируемое охлаждение конденсирующей поверхности с точной фиксацией появления конденсата и одновременное измерение ее температуры. К достоинствам метода относятся: измерение влажности в широком диапазоне концентраций паров воды, рабочий диапазон от -70 °С до +100 °С, градуировка датчика по температуре, а не по влажности (точность измерения температуры ±0,2 °С), возможность измерения влажности внутри корпусов интегральных схем.

Для охлаждения используются термоэлектрические холодильники (до -70 °С) и криогенные жидкости: жидкие азот ( 77 К), кислород (20 К), гелий (4 К). Для измерения температуры применяются термопары и терморезисторы. Для определения момента появления конденсата используют измерения оптических и электрических характеристик конденсата (поверхностного сопротивления или емкости).

Для индикации конденсата можно использовать пьезокварцевый резонатор, включенный в схему генератора: в момент появления конденсата добротность резонатора резко уменьшается, при этом изменяется частота генерации (кварцевый резонатор регистрирует изменение массы 10-10 – 10-8 г). При оптической регистрации конденсата с помощью фотоприемников (фотодиодов, фоторезисторов, фототранзисторов) сравнивают интенсивности световых потоков, отраженных от чистой зеркальной поверхности и от поверхности, покрытой слоем конденсата. При измерении влажности в корпусах ИС используется регистрация конденсата по изменению поверхностной проводимости или межэлектродной емкости. Простейший датчик поверхностно-конденсационного типа – два металлических электрода (гребенчатой формы), нанесенные на поверхность диэлектрика. Структура датчика резистивно-емкостного типа изображена на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Двухэлектродный датчик точки росы

резистивно-емкостного типа: 1, 2 – электроды;

3 – датчик температуры

Поверхностная проводимость такой структуры при приближении к точке росы увеличивается по закону, близкому к экспоненциальному. Образование на поверхности льда приводит к резкому уменьшению проводимости конденсата.

Основной недостаток конденсационного метода – зависимость показаний от степени загрязнения поверхности.

Психрометрические датчики

Психрометрические датчики используются для измерения относительной влажности газов (чаще всего воздуха) при температурах выше 0 °С. В основе их работы лежит зависимость разности показаний сухого и влажного термометров от влажности воздуха. Температура влажного термометра tвл зависит от интенсивности испарения паров воды с увлажненной поверхности. Между парциальным давлением паров воды РВ при температуре сухого термометра t и разностью температур сухого и влажного термометров (t – tвл) существует соотношение

РВ = – A ∙P ∙(t – tвл), (7.1)

где – давление насыщенного пара воды при температуре влажного термометра tвл; Р – общее давление; А – психрометрический коэффициент, зависящий от свойств газа, температуры и конструктивных особенностей датчика.

Точность показаний психрометра зависит от его конструкции (скорости воздушного потока, обтекающего влажный термометр, взаимного расположения термометров, температуры и чистоты воды для увлажнения фитиля и др.).

Чувствительность психрометра зависит только от чувствительности датчиков температуры, в качестве которых могут использоваться термопары, термометры сопротивления полупроводниковые терморезисторы и термодиоды. Дифференциальная схема включения датчиков температуры обеспечивает высокую чувствительность и хорошую точность измерений даже вблизи насыщения, где использование большинства других датчиков влажности ограничено.

Простота и дешевизна психрометров обеспечивает их широкое применение в бытовой технике и в системах кондиционирования воздуха. Однако им присущи и такие недостатки, как необходимость мокрого термометра, зависимость показаний от суммарного давления газа, низкотемпературный (0 °С) и высокотемпературный пределы измерений. Психрометры, не рассчитанные на непрерывную подачу воды для смачивания фитиля, работают при температурах до 40 °С, при более высоких температурах вода для смачивания фитиля может испаряться быстрее, чем установится равновесие. Психрометры с непрерывной подачей воды, компенсирующей испарение. Используются до температур 90 – 100 °С, специальные психрометры для промышленных сушилен могут работать до температур 200 – 250 °С, при этом температура влажного термометра составляет 20 – 75 °С. Отмеченные недостатки приводят к тому, что в общем объеме выпуска датчиков влажности доля психрометров постоянно снижается.

Вентильные фотоэлементы

Вентильные фотоэлементы
Это приборы, в которых ЭДС возникает под действием света.

Существенную роль при этом играет электрическое поле запорного слоя. Напомним, что запорный слой возникает на границе двух полупроводников с разным типом проводимости, то есть при р − n р-n р−n переходе. Он является результатом диффузии дырок в n n n область полупроводника и электронов в p область полупроводника, по этим причинам на запорном слое в направлении n-р возникает электрическое поле.

Известно, что при освещении полупроводника (при условии, что энергия его фотонов больше ширины запрещенной зоны) в последнем образовываются пары электрон-дырка. Если эти пары носителей тока возникают вблизи запорного слоя, то под действием электрического поля n − р n-р n−р перехода они будут разделяться, что приводит к определенной разности потенциалов на электродах и создает в кругу фотоэлемента ток.

Вентильные фотоэлементы имеют большое будущее как одно из средств непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Сейчас изготавливают кремниевые фотоэлементы, имеющие КПД 11-15%; по теоретическим расчетам его можно повысить до 22%. Батареи из таких фотоэлементов используются в искусственных спутниках и космических кораблях в качестве источника питания радиоаппаратуры, в измерительной технике, в автоматике и т. п.

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии[ | ]

Фотоэлемент на основе мультикристаллического кремния
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %[3]. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД 43,5 %[4], 44,4 %[5], 44,7 %[6].

Отсутствие выпрямительных диодов и эффективных антенн на частоты электромагнитного излучения, соответствующие свету, пока не позволяет создавать фотоэлектрические преобразователи, использующие свойства кванта как электромагнитной волны, наводящей переменную ЭДС в дипольной антенне, хотя, теоретически, это возможно. От таких устройств можно было бы ожидать не только лучшего КПД, но и меньших температурной зависимости и деградации со временем.

Физический принцип работы фотоэлемента[ | ]

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

• отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
• рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• рекомбинацией образовавшихся фото-пар, на поверхностях и в объёме ФЭП,
• внутренним сопротивлением преобразователя,
• и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

• использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
• создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно-переизлучающих структур, линз Френеля, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.