авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНОБРНАУКИ РОССИИ УДК 002.56(075.8)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

ББК 73я73

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

У 91

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА»

(ФГБОУ ВПО «ПВГУС»)

Кафедра «Информационный и электронный сервис»

Рецензент д.т.н., проф. Иванов В. В.

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС по дисциплине ОД.А.03 «Технические средства приема, преобразования, передачи и обработки измерительной и управляющей информации» Учебно-методический комплекс по дисциплине ОД.А.03 «Тех для аспирантов специальности 05.13.05 «Элементы и устройства У 91 нические средства приема, преобразования, передачи и обработки вычислительной техники и систем управления» измерительной и управляющей информации» / сост. В. И. Воловач, В. Г. Карташевский. – Тольятти : Изд-во ПВГУС, 2012. – 268 с.

Для аспирантов специальности 05.13.05 «Элементы и устрой ства вычислительной техники и систем управления».

Одобрено Учебно-методическим Советом университета Научно-техническим Советом университета © Воловач В. И., Карташевский В. Г., Составители: Воловач В. И., Карташевский В. Г. составление, © Поволжский государственный университет сервиса, Тольятти СОДЕРЖАНИЕ 1. Рабочая учебная программа дисциплины……………………………………….......

1.1. Цели и задачи дисциплины………………………………...……………………. 1.2. Компетенции аспиранта, формируемые в результате освоения дисциплины.. 1.3. Структура и объем дисциплина…....…………………………………………… 1.4. Содержание дисциплины…………………………...…………………………… 1.5. Требования к уровню освоения дисциплины и формы текущего, промежу точного и итогового контроля……………………………………………………………...

1.6. Содержание самостоятельной работы………………………..………………… 2. Учебно-методическое пособие.………………………………………………………...

2.1. Устройства приема информации……....………………………………………..

2.2. Устройства ввода и вывода дискретных и числоимпульсных сигналов…….. 2.3. Устройства связи с объектом управления……………………………………… 2.4. Интерфейсы систем управления………………………………………………... 2.5. Содержание практических занятий…………………………………………….. 3. Учебно-методическое обеспечение дисциплины...………………………...………..

3.1. Перечень основной и дополнительной литературы…………………………… 3.2. Методические рекомендации преподавателю………………………………….

3.3. Методические указания аспирантам по изучению дисциплины…………… 3.4. Материально-техническое обеспечение дисциплины………………………… 3.5. Программное обеспечение использования современных информационно коммуникативных технологий………………………………..…………………………… 1. РАБОЧАЯ УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. Цели и задачи дисциплины Целью изучения дисциплины «Технические средства приема, преобразования, переда чи и обработки измерительной и управляющей информации» является формирование у аспи рантов системных знаний в области технических средств приема, преобразования и передачи измерительной и управляющей информации в элементах и устройствах вычислительной тех ники и систем управления.

Место дисциплины в учебном процессе: дисциплина «Технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и управляющей информации» относится к циклу обязательных дисциплин программы подготовки аспиранта по специальности 05.13.05 «Эле менты и устройства вычислительной техники и систем управления».

Дисциплина «Технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и управляющей информации» является разделом программы-минимум кандидатского экза мена по специальности. В рамках данной дисциплины рассматриваются: устройства приема информации оптического излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового диапа зонов;

многоэлементные фотоприемники, матрицы на приборах с зарядовой связью, вакуум ные и газонаполненные фотоэлементы;

устройства ввода и вывода дискретных и число импульсных сигналов;

устройства гальванической развязки;

аналого-цифровые и цифроана логовые преобразователи, принципы построения, основные характеристики и параметры;

усилители: импульсные, широкополосные, операционные, резонансные, полосовые, селек тивные;

усилители постоянных сигналов;

устройства связи с объектом управления (УСО), основные типы УСО, принципы организации;

интерфейсы систем управления, классифика ция, основные характеристики интерфейсов;

системные (внутримашинные) интерфейсы;

ин терфейсы персональных компьютеров;

приборные интерфейсы;

интерфейсы устройств вво да-вывода;

последовательные интерфейсы;

параллельные интерфейсы.

Основная задача дисциплины заключается в подготовке аспирантов специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» к канди датскому экзамену по специальности, а также в формировании знаний в области технических средств приема, преобразования и передачи измерительной и управляющей информации.

Дисциплина «Технические средства приема, преобразования и передачи измерительной и управляющей информации» основана на знании дисциплин: общая электротехника и элек троника;

метрология, стандартизация и сертификация;

основы теории управления;

микро процессорные системы;

информационная техника;

конструирование, проектирование и тех нология автоматических электронных и микроэлектронных систем физических установок и автоматизированных систем научных исследований;

технические средства автоматизации и управления;

схемотехника ЭВМ.

1.2. Компетенции аспиранта, формирующиеся в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины аспирант должен:

• Знать: методы оптимизации и принятия проектных решений (ПК-1);

методы проек тирования аппаратных и программных средств вычислительной техники и систем управле ния (ПК-4);

• Уметь: разрабатывать математические модели процессов и объектов, методы их ис следования, выполнять их сравнительный анализ (ПК-1);

планировать, организовывать и проводить научные исследования (ПК-4);

• Владеть: методами научного поиска (ПК-1);

методиками сбора, переработки и пред ставления научно-технических материалов по результатам исследований к опубликованию в печати, а также в виде обзоров, отчетов, докладов и лекций (ПК-4).

1.3. Структура и объем дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 2 зачетные единицы, 72 часа.

Распределение фонда времени по семестрам, неделям, видам занятий № Количество часов по плану Количество часов в неделю Самостоятель недель Число семе ная работа стра лек- практ. сам. лек- практ. сам. часов всего всего реферат ции занят. раб. ции занят. раб. всего 3, 4 10 72 12 24 36 7 1 2,4 3,6 16 1.4. Содержание дисциплины Распределение фонда времени по темам и видам занятий Аудиторные занятия Самостоятельная работа Лабораторные Практические Всего № Наименование разделов по темам Лекции п/п 1. 2 4 6 Технические средства приема измерительной и управляющей информации Устройства приема информации оптического излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового диапазонов).

Многоэлементные фотоприемники, матрицы на приборах с зарядовой связью, вакуумные и газонаполненные фотоэле менты.

Устройства ввода и вывода дискретных и число импульсных сигналов. Устройства гальванической развяз ки.

2. 2 4 6 Технические преобразователи измерительной и управляющей информации Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразовате ли;

принципы построения;

основные характеристики и па раметры.

3. 2 4 8 Виды усилителей и их основные характеристики Усилители: импульсные, широкополосные, операцион ные, резонансные, полосовые, селективные. Усилители по стоянных сигналов. Основные характеристики и параметры.

Особенности анализа и проектирования.

4. 2 4 8 Устройства связи с объектом управления Понятие устройств связи с объектом управления (УСО).

Основные типы УСО, принципы организации.

5. 4 8 8 Интерфейсы систем управления Понятие интерфейсов систем управления. Классифика ция, основные характеристики интерфейсов. Системные (внутримашинные) интерфейсы. Интерфейсы персональных компьютеров. Приборные интерфейсы (IEEE 488, IEC 625.1). Интерфейсы устройств ввода-вывода. Последова тельные интерфейсы: RS232C, ИРПС, I2C, USB, RS422, RS485. Параллельные интерфейсы: Centronis, ИРПР, ИРПР М, ЕРР/ЕСР.

Итого 12 24 36 1.5. Требования к уровню освоения дисциплины и формы текущего, промежуточного и итогового контроля Текущий и промежуточный контроль знаний осуществляется путем проведения тести рований, контрольных работ, решения задач на практических занятиях и в ходе подготовки к ним. В связи с этим, для успешного освоения дисциплины аспирантам необходимо:

– регулярно посещать лекционные занятия;

– осуществлять регулярное и глубокое изучение лекционного материала, учебников, учебных пособий, научной литературы по дисциплине;

– активно работать на практических занятиях;

– выступать с сообщениями по самостоятельно изученному материалу;

– участвовать с докладами на научных конференциях.

Текущий контроль знаний осуществляется путем выставления балльных оценок за вы полнение тех или иных видов учебной работы (отчет по практическим занятиям, прохожде ние тестирования, контрольной работы и т. п.).

Итоговый контроль знаний по дисциплине проводится в форме письменного зачета.

Для подготовки зачету аспиранты используют приводимый ниже перечень вопросов, кото рый полностью соответствует содержанию дисциплины. Вместе с тем, конкретная формули ровка вопросов к зачету, не выходя за пределы изученных на аудиторных занятиях и в ходе самостоятельной работы, может отличаться от представленного перечня.

Примерный перечень вопросов для подготовки к зачету по дисциплине «Технические средства приема, преобразования, передачи и обработки измерительной и управляющей информации»

1. Устройства приема информации оптического излучения (инфракрасного, видимого, ультрафиолетового диапазонов).

2. Многоэлементные фотоприемники, матрицы на приборах с зарядовой связью, ваку умные и газонаполненные фотоэлементы.

3. Устройства ввода и вывода дискретных и число-импульсных сигналов.

4. Устройства гальванической развязки.

5. Аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи.

6. Основные принципы построения аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразо вателей.

7. Основные характеристики и параметры аналого-цифровых и цифроаналоговых пре образователей.

8. Усилители: импульсные, широкополосные, операционные, резонансные, полосовые, селективные. Основные характеристики и параметры 9. Усилители постоянных сигналов. Основные характеристики и параметры.

10. Особенности анализа и проектирования.

11. Устройства связи с объектом управления (УСО).

12. Основные типы УСО, принципы организации.

13. Интерфейсы систем управления.

14. Классификация, основные характеристики интерфейсов.

15. Системные (внутримашинные) интерфейсы.

16. Интерфейсы персональных компьютеров.

17. Приборные интерфейсы (IEEE 488, IEC 625.1).

18. Интерфейсы устройств ввода-вывода.

19. Последовательные интерфейсы: RS232C, ИРПС, I2C, USB, RS422, RS485.

20. Параллельные интерфейсы: Centronis, ИРПР, ИРПР-М, ЕРР/ЕСР.

По результатам изучения дисциплины выставляется оценка:

«зачтено» – аспирантам, владеющим знаниями по основным и дополнительным вопро сам дисциплины, активно работающим на практических занятиях, выполняющим различные индивидуальные задания, в достаточной мере разбирающимся в знаниях, полученных в ходе самостоятельной работы (51 балл и выше);

«незачтено» – аспирантам, не посещающим аудиторные занятия без уважительной при чины, не владеющим основными вопросами изучаемой дисциплины, выполняющим практи ческие работы на низком уровне, слабо разбирающихся в вопросах, вынесенных на само стоятельное изучение (менее 50 баллов).

1.6. Содержание самостоятельной работы В разделе «Самостоятельная работа» раскрывается содержание каждого вида самостоя тельной работы и указывается время, необходимое для его выполнения.

Распределение самостоятельной работы студентов по темам с указанием времени № Количество Наименование темы п/п часов 1 Технические средства приема измерительной и управляющей информа- ции.

2 Технические преобразователи измерительной и управляющей информа- ции.

3 Виды усилителей и их основные характеристики. 4 Устройства связи с объектом управления. 5 Интерфейсы систем управления. Итого Самостоятельная работа выполняется в течение отведенного на дисциплину времени и предусматривает самостоятельную проработку учебной и научной литературы по темам, а также изучение научных статей, опубликованных в периодической печати.

Часы, отведенные на самостоятельную работу аспирантов, представляют собой вид за нятий, которые каждый аспирант организует и планирует сам. Прежде всего, следует обра тить внимание на изучение литературы, рекомендуемой преподавателем. Поскольку соотно шение аудиторной и самостоятельной нагрузки смещено в сторону самостоятельной работы аспиранта, самостоятельная работа должна быть организована преподавателем (аспирант всегда может получить консультацию преподавателя по трудным и проблемным вопросам в отведенные для консультаций дни) и затем осуществлен контроль за ее выполнением.

2. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ В учебно-методическое пособие по дисциплине включены теоретические сведения для изучения дисциплины, в которых содержаться основные вопросы по темам курса, опреде ленные программой-минимумом кандидатского экзамена по специальности 05.13.05 «Эле менты и устройства вычислительной техники и систем управления», и перечень литературы, необходимой для их изучения, а также содержание практических занятий по дисциплине.

Вследствие ограниченного объема настоящего УМП теоретические сведения по отдельным нижеприведенным разделам дисциплины аспирантам рекомендуется изучить самостоятельно по источникам [26-28], а также по изданному на кафедре ИиЭС УМКД [6]: «Технические преобразователи измерительной и управляющей информации» [6, с. 135-153] и «Виды уси лителей и их основные характеристики» [6, с. 81-113].

Для удобства изучения дисциплины раздел «Технические средства приема измеритель ной и управляющей информации» в учебно-методическом пособии представлен двумя тема ми «Устройства приема информации» и «Устройства ввода и вывода дискретных и числоим пульсных сигналов».

2.1. Устройства приема информации 2.1.1. Классификация и система условных обозначений приемников оптического излучения Приемник оптического излучения (фоточувствительный прибор) предназначен для об наружения и (или) измерения электромагнитного излучения оптического диапазона и осно ван на преобразовании энергии излучения в другие ее виды (в электрический сигнал, в види мое оптическое изображение).

Отсутствие в течение длительного времени единого стандарта, регламентирующего по рядок присвоения условных обозначений различным группам приемников оптического излу чения, и разработка их предприятиями различных ведомств обусловили существование для одних и тех групп приемников излучения различных условных обозначений.

В зависимости от физических явлений, положенных в основу принципа действия, и особенностей конструктивного исполнения все приемники оптического излучения делятся на три группы: фотоэлектрические, фотоэлектронные и тепловые.

Фотоэлектрические приемники излучения основаны на использовании внутреннего фо тоэффекта и полупроводниковой технологии изготовления (по конструктивному исполнению они относятся к полупроводниковым приборам).

В фотоэлектронных приборах электронный поток (луч) движется под действием элек трического поля в вакуумном или газонаполненном приборе. Преобладающим физическим принципом действия фотоэлектронных приборов является фотоэмиссия электронов из фото катода (внешний фотоэффект). В отдельных видах фотоэлектронных приборов используются также внутренний фотоэффект (видиконы) и тепловой эффект (пировидиконы). Работа теп ловых приемников излучения основана на тепловом эффекте – изменении сопротивления чувствительного элемента при изменении его температуры под действием поглощенного им излучения. По конструктивному исполнению они могут быть также отнесены к полупровод никовым приборам.

Фотоэлектрические и тепловые приемники излучения делятся на две подгруппы, одна из которых представляет собой приборы, только преобразующие оптическое излучение в электрический сигнал, а вторая – в приборы, которые, кроме того, осуществляют обработку последнего. Эту группу приборов составляют соответственно фотоприемные и тепловые устройства (ФПУ и ТПУ).

Условное обозначение приемников оптического излучения составляется из трех эле ментов.

Первый элемент – буквенный – обозначает принадлежность к классификационной группировке:

ФР – фоторезисторы;

ФД – фотодиоды;

ФЭ – фотоэлементы полупроводниковые;

ФТ – фототранзисторы;

ФМ – многоспектральные фотоприемники, ФУО – одноэлементные фотоприемные устройства;

ФУР – многоэлементные ФПУ с разделенными каналами;

ФУК – многоэлементные ФПУ с внутренней коммутацией (кроме фоточувствительных приборов с переносом заряда);

ФППЗ – фоточувствительные приборы с переносом заряда;

ЛИ – передающие телевизионные трубки;

ФЭУ – фотоумножатели;

Ф – фотоэлементы электровакуумные в обычном исполнении;

ФЭК – фотоэлементы электровакуумные с коаксиальным выходом;

ЭПВ – электронно-оптические преобразователи (ЭОП) одно- и многомодульные (кроме ЭОП с микроканальным усилением);

ЭПМ – ЭОП с микроканальным усилением;

ЭП – ЭОП однокамерные и многокамерные;

ФП – фотоэлектронные преобразователи;

ФБВ – лампы бегущей волны с фотоэмиссией;

Б – болометры;

ПП – пироэлектрические приемники из пучения;

ТЭ – термоэлементы;

ТПУ – тепловые приемные устройства.

Второй элемент – число – обозначает порядковый регистрационный номер разработки.

Для всех групп приемников излучения (кроме передающих телевизионных трубок) порядко вые регистрационные номера выбираются из ряда чисел от 1 до 999 включительно. Порядко вые регистрационные номера для различных групп передающих телевизионных трубок уста навливаются из следующих рядов:

201... 399 – суперортикоиы;

401... 599 – видиконы;

601... 699 – диссекторы;

701... 799 – супервидиконы Третий элемент – буквенный или цифробуквенный – означает особенность конструк тивного исполнения или различия в уровне одного из параметров приемника оптического излучения, Для указания конструктивных особенностей приборов применяются буквенные обозначения:

М – многоэлементные фоторезисторы и фотодиоды или матричные ФПУ с разделен ными каналами и коммутируемые, а также ФППЗ;

К – координатный фотодиод;

Л – лавинный фотодиод или линейные ФПУ с разделенными каналами и коммутируе мые, а также ФППЗ;

Б – биполярный транзистор или болометрическое ТПУ;

П – полевой транзистор или пироэлектрическое ТПУ;

С – многоспектральное многоэлементное ФПУ с разделенными каналами;

Г – герметизированные ФЭУ и ЭОП;

И – импульсные ЭОП;

з – передающая телевизионная трубка (ПТТ) для зеленого канала;

к – ПТТ для красного канала;

с – ПТТ для синего канала;

я – ПТТ для яркостного канала;

цифровые обозначения:

2 – двухкамерные или двухмодульные ЭОП;

3 – трехкамерные или трехмодульные ЭОП.

Различия в уровне одного из параметров приборов обозначаются для всех групп изде лий (кроме ЭОП) только цифрами (из ряда 1, 2, 3, …, n, где n – число применяемых града ций параметра прибора).

Для разделения двух смежных цифровых элементов условного обозначения применяет ся дефис.

Примеры условных обозначений:

ФР306М – многоэлементный фоторезистор;

ФУР108Л – многоэлементное линейное фотоприемное устройство с разделенными ка налами;

ФПП34М – матричный фоточувствительный прибор с переносом заряда;

ЭПВ18-ЗГИ – трехмодульный герметизированный импульсный ЭОП;

ЛИ432с – видикон для работы в синем канале.

2.1.2. Краткие сведения о различных группах приемников оптического излучения 2.1.2.1. Фотоэлектрические приемники излучения Фоторезисторы представляют собой простейшие полупроводниковые структуры с од ним типом проводимости, у которых под действием падающего на них оптического излуче ния происходит изменение проводимости вследствие образования в них носителей заряда (электронов и дырок) и перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости (фото резисторы с собственной фотопроводимостью), из валентной зоны на примесный уровень или из примесного уровня в зону проводимости (фоторезисторы с примесной фотопроводи мостью).

Фотодиоды представляют собой монолитные структуры, содержащие две области с различными типами проводимости (п- и р-типа), образующие область объемного заряда (на зываемую р-п переходом). Под действием падающего на одну из областей фотодиода опти ческого излучения его вольт-амперная характеристика изменяется.

Лавинные фотодиоды обладают свойством внутреннего усиления фототока, проте кающего через освещенный р-п переход. Механизм их работы основан на использовании ла винообразного нарастания числа носителей заряда, образующихся вследствие ударной иони зации в р-п переходе, ширина которого больше длины свободного пробега неосновных носи телей заряда. Необходимая энергия для возбуждения валентных электронов неосновными носителями, втягиваемыми в область р-п перехода, придается путем создания в ней соответ ствующей напряженности электрического поля.

Фототранзистор содержит два р-п перехода (один из которых включен в прямом, а другой – в обратном направлениях) и обладает свойством внутреннего усиления электриче ского сигнала, возникающего под действием света, падающего на одну из его областей (ба зу).

Фотоэлементы полупроводниковые состоят из двух контактирующих материалов (металл – полупроводник, полупроводник – полупроводник), которые в контактной области создают запирающий слой, переходом фотодиода. При освещении полупроводника в нем об разуются возбужденные носители заряда, разделяемые и перемещаемые запирающим слоем к различным электродам, в результате чего между последним возникает разность потенциа лов, т. е. фото-ЭДС.

Фотоприемное устройство состоит из одного или множества фоточувствительных элементов, преобразующих оптическое излучение в электрический сигнал, и схемы предва рительной обработки фотосигнала (например, схем сопряжения, усиления, коммутации, ста билизации рабочей точки и др.), объединенных в единый корпус и выполненных на основе гибридной или интегральной технологии. В качестве фоточувствительных элементов ФПУ могут использоваться фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фоточувствительные МДП-структуры. В зависимости от числа фоточувствительных элементов ФПУ делятся на одноэлементные и многоэлементные, а от способа съема сигнала – на ФПУ с разделенными каналами и ФПУ с внутренней коммутацией.

В начале 70-х годов появились многоэлементные фоточувствительные МДП структуры, в которых функция коммутации сигнала осуществляется в самом объеме полу проводникового фоточувствительного материала, – так называемые фоточувствительные приборы с переносом заряда (ФППЗ). Они предназначены для преобразования оптического излучения (изображения) в электрический сигнал, действие которого основано на формиро вании и эффективном переносе дискретных фотогенерированных зарядовых пакетов внутри полупроводникового материала.

Известны две наиболее распространенные разновидности ФППЗ – фоточувстительные приборы с зарядовой связью (ФПЗС) и фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией (ФПЗИ).

В ФПЗС зарядовые пакеты передаются к выходному устройству вследствие направлен ного перемещения потенциальных ям в объеме полупроводника при подаче на его электроды в соответствующей последовательности тактовых импульсов.

В ФПЗИ перемещение зарядового пакета происходит только внутри фото чувствительного элемента с последующей его инжекцией в подложку или в область стока заряда. В зависимости от расположения фоточувствительных элементов ФППЗ бывают ли нейные (элементы расположены в один ряд) и матричные (элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам) 2.1.2.2. Фотоэлектронные приборы Фотоумножитель – электровакуумный прибор, преобразующий оптическое излучение (ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное) в электрический сигнал с последующим его усилением и состоящий из фотокатода, динодной умножительной системы и анода (рис. 1.1).

Преобразование оптического излучения в электрический сигнал осуществляется фотокато дом в результате эмиссии электронов с поверхности некоторых полупроводниковых мате риалов, находящихся в вакууме, при облучении их оптическим излучением (внешняя фото эмиссия или внешний фотоэффект).

Фотоэлемент – электровакуумный (или газонаполненный) прибор, преобразующий оп тическое излучение в электрический сигнал и состоящий из фотокатода и анода. В отличие от фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), фотоэлементы не имеют динодной умножитель ной системы, а поэтому не обладают свойством усиления потока электронов, вылетающих из фотокатода, при использовании эффекта вторичной эмиссии. Тем не менее существует спо соб усиления фототока фотоэлемента. Он основан на наполнении баллона фотоэлемента инертным газом (обычно аргоном) и создании в нем несамостоятельного разряда в результа те ионизации газа, происходящей при движении электронов, вылетающих из фотокатода под действием света, к аноду. Эффект газового усиления у газонаполненных фотоэлементов на чинает проявляться при напряжении более 50 В. При напряжении около 240 В коэффициент газового усиления у различных приборов может достигать значений K г = 6...10. К газона полненным фотоэлементам относятся фотоэлементы серии ЦГ.

Диапазон спектральной чувствительности фотоэлементов определяется типом исполь зуемых в них фотокатодов. Основные параметры и характеристики фотоэлементов почти та кие же, как у фотоумножителей, но приведенные ко входу первого динода.

Диссектор – передающая телевизионная трубка, в которой электронное изображение, образуемое вылетающим из фотокатода потоком электронов, развертывается относительно неподвижного отверстия (щели). В основу физического принципа действия и конструкции диссектора положено использование следующих явлений:

преобразование оптического изображения, спроектированного на фотокатод, в элек тронное изображение на основе явления внешнего фотоэффекта;

пространственный перенос электронного изображения под воздействием ускоряющего электрического поля;

последовательная (поэлементная) пространственная развертка электронного изображе ния с помощью фокусирующей и отклоняющей систем с целью формирования выходного сигнала изображения;

усиление выходного сигнала изображения на основе вторичной электронной эмиссии.

Рис. 1.1. Схема фотоумножителя: Рис. 1.2. Схема устройства диссектора:

1 – фотокатод;

2 – фокусирующий электрод;

1 – фотокатод;

2 – плоская диафрагма;

3 – 3 … 13 – диоды;

14 - анод вырезающее (развертывающее) отверстие;

4 – вторично-электронный умножитель;

5 – фокусирующая катушка;

6 – откло няющая катушка Конструкция диссектора (рис. 1.2) представляет собой стеклянную цилиндрическую колбу, состоящую из двух секций: секция переноса и секции усиления. В первой секции про исходят преобразование оптического изображения в электронное и пространственный пере нос электронного изображения от фотокатода, нанесенного на внутренней стороне торцевой поверхности колбы, и его перемещение в двух направлениях относительно отверстия диа фрагмы. В секции умножения располагаются диноды и коллектор, на котором собираются электроны после их усиления динодной системой.

Фокусирующая и отклоняющие катушки изготавливаются в единой конструкции, назы ваемой фокусирующей и отклоняющей системой (ФОС), и поставляются отдельно от дис сектора.

Диссектор относится к передающим телевизионным трубкам так называемого мгно венного действия, величина выходного сигнала у которых по истечении времени, превы шающего постоянную времени прибора, при неизменном уровне освещенности на фотокато де остается постоянной. Это является одним из самых серьезных недостатков диссекторов (низкий уровень выходного сигнала), ограничивающих области их применения. Преодолеть его стало возможным благодаря использованию принципа накопления сигнала.

Накопление сигнала (заряда) позволяет получить выходной сигнал, пропорциональный не только уровню освещенности фотокатода (как это имеет место у диссектора), но и интер валу времени между двумя последовательными считываниями одного и того же участка изо бражения (элемента разложения). Чем больше это время (его называют временем накопле ния), тем выше выходной сигнал при одном и том же уровне освещенности фотокатода. Реа лизация этого принципа осуществлена у передающих телевизионных трубок с накоплением заряда на мишени. К этой группе трубок относятся суперортиконы, вндиконы и супервиди коны.

Суперортикон – передающая телевизионная трубка с переносом изображения и его разверткой пучком медленных электронов, в которой электронное изображение накаплива ется и считывается на противоположных сторонах накопительной мишени.

Основная идея работы суперортикона (рис. 1.3) основана на использовании принципа модуляции создаваемого электронным прожектором постоянного по плотности электронного потока (электронного луча) информационным электронным потоком, образующимся вслед ствие внешней фотоэмиссии фотокатода при его освещении. При этом указанная модуляция осуществляется не непосредственно, а через промежуточный носитель – диэлектрик (пленка стекла толщиной около 5 мм), называемый мишенью.

Одним из недостатков суперортикона является то, что он имеет высокий уровень шу мов выходного сигнала из-за большого уровня постоянной составляющей тока луча, а также невыгодного, с точки зрения их восприятия, распределения шумов. Поскольку в суперорти коне максимальный сигнал соответствует уровню темного («электрический негатив»), то и шумы имеют максимальное значение тогда, когда передается слабое световое изображение.

Естественно, что наблюдение слабого оптического изображения на фоне больших шумов бу дет затруднительно.

Этот недостаток устраняется в суперортиконах, работающих в режиме изоконного счи тывания (изокон), у которых видеосигнал создается не за счет обратного электронного луча, а за счет рассеяний электронов, образующихся у мишени в момент коммутации. Причем число рассеянных электронов пропорционально глубине потенциального рельефа мишени, т.е. освещенности фотокатода. Следовательно, полярность сигнала в изоконах обратна по лярности сигнала на выходе суперортикона и уровень шумов при передаче слабых оптиче ских сигналов меньше, чем при передаче светлых участков изображения. В сравнении с су перортиконом уровень шума в изоконе при передаче первого в 5…6 раз ниже, что обеспечи вает передачу изображений с помощью изоконов при освещенностях 10-2... 10-4 лк. Схема, поясняющая принцип работы изокона, показана на рис. 1.4.

Преобразование оптического излучения в электрический сигнал в передающих телеви зионных трубках может осуществляться также на основе внутреннего фотоэффекта. При этом следует отметить, что высокая квантовая эффективность фоторезисторов и фотодиодов, из которых изготавливаются полупроводниковые фоточувствительные мишени, позволяет делать достаточно чувствительные передающие телевизионные трубки малых геометриче ских размеров. К этой группе передающих телевизионных трубок относятся видиконы.

Видикон – передающая телевизионная трубка с фотопроводящей мишенью, в которой электронное изображение, возникшее в толще полупроводника, накапливается на поверхно сти мишени и считывается пучком медленных электронов. Схема, показывающая устройство и принцип работы видикона, приведена на рис. 1.5.

К недостаткам видиконов следует отнести повышенную инерционность, про являющуюся в появлении тянущегося следа за движущимся изображением, в размытии кон туров изображения, а следовательно, в снижении четкости и контраста изображения на ви деоконтрольном устройстве.

Супервидикон – передающая телевизионная трубка с переносом изображения и мише нью, обладающей свойством вторичной электронной эмиссии (рис. 1.6). В этом приборе по тенциальный рельеф мишени создается не за счет облучения ее светом, а в результате бом бардировки ее потоком электронов, вылетающих из фотокатода.

Диапазон спектральной чувствительности передающих телевизионных трубок опреде ляется типом используемого фотокатода (для диссекторов, суперортиконов и супервидико нов) или материала мишени (для видиконов).

Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) – электровакуумный прибор, пред назначенный для усиления яркости оптического изображения, создаваемого оптической сис темой, а в отдельных случаях и для преобразования спектрального состава излучения (на пример, инфракрасного изображения 4 в видимое 5). Простейший однокамерный ЭОП со стоит из фотокатода 1, системы формирования электронного изображения (электронно фокусирующей системы) 2 и люминесцентного экрана 3 (рис. 1.7).

а) б) Рис. 1.3. Схема устройства суперортикона (а) и принципа его действия (б):

1 – стеклянный корпус;

2 – фотокатод;

3 – ускоряющий электрод;

4 – фокусирующая ка тушка;

5 – сетка;

6 – мишень;

7 – тормозящий электрод;

8 – фокусирующий электрод;

9 – отклоняющая катушка;

10 – корректирующий электрод (цилиндр);

11 – корректирующая катушка;

12 – электронный прожектор;

13 – вторично-электронный умножитель При низком уровне освещенности наблюдаемых объектов яркость изображения по следних на экране простейших однокамерных ЭОП недостаточна для наблюдения глазом. В этих случаях применяют многокамерные ЭОП, в которых достигается эффект усиления яр кости за счет последовательного соединения друг с другом нескольких камер, каждая из ко торых представляет собой простейший однокамерный ЭОП.

Серьезным недостатком ЭОП упомянутых выше конструкций является неравномерное разрешение по полю экрана (на краях экрана ЭОП разрешение в 5...8 раз ниже, чем в центре), а также большие габаритные размеры (особенно у многокамерных ЭОП). Неравномерность разрешения по полю обусловлена трудностью обеспечения равномерной фокусировки элек тронного изображения при расположении фотокатода и экрана ЭОП в параллельных плоско стях. Как известно, оптимальные условия для фокусировки электронного изображения име ют место в том случае, когда фотокатод и экран выполняются на сферических плоскостях.

Это конструктивное решение возможно в ЭОП, у которых на входе и выходе имеются воло конно-оптические пластины (ВОП), состоящие из множества тонких (диаметром 10...20 мкм) стеклянных волокон, оптически изолированных друг от друга. Наружные поверхности ВОП выполнены плоскими, а внутренние – сферическими, на одной из которых нанесен фотока тод, а на другой – экран. ЭОП с ВОП на входе и выходе имеют равномерное разрешение по всему полю зрения.

Рис. 1.4. Принцип действия изокона:

1 – мишень;

2 – прямой и обратный лучи;

3 – поток рассеянных электронов;

4 – умножитель;

5 - катод Рис. 1.5. Схема устройства видикона:

1 – сигнальная пластина;

2 – мишень;

3 – стеклянный баллон;

4 – сетка;

5- второй анод;

6 – первый анод;

7 – управляющий электрод (модулятор);

8 – катод прожектора;

9 – отклоняющие катушки;

10 – фокусирующая катушка Рис. 1.6. Схема устройства и принципа Рис. 1.7. Принципиальная схема устройства работы супервидикона электронно-оптического преобразования Усиление яркости изображения ЭОП может достигаться не только за счет увеличения числа каскадов усиления (камер), но и за счет применения микроканального усиления.

Принципиальные схемы устройств ЭОП с волоконно-оптическими пластинами и микрока нальными пластинами (МКП) показаны на рис. 1.8 и 1.9.

Фокусировка электронного изображения в ЭОП может осуществляться также с приме нением магнитной фокусирующей системы или смешанной электростатической и электро магнитной фокусировки. В этих случаях эффективность фокусировки по полю экрана выше, чем при чисто электростатической фокусировке.

Для регистрации быстропротекающих процессов (ядерных, процессов развития разряда в газе и др.) используются импульсные ЭОП. Действие этих ЭОП основано на применении в конструкции изделий электронного затвора (системы плоскопараллельных отклоняющих пластин, на которые подается импульсное запирающее напряжение) и системы пластин кру говой развертки изображения по экрану. При совместном действии затвора и пластин круго вой развертки ЭОП работает в режиме высокоскоростного фоторегистратора. На экране ЭОП получается последовательность из нескольких кадров, расположенных по кругу. С помощью таких ЭОП может быть получено временное разрешение до 3·10-12 с.

а) б) Рис. 1.8. Принципиальные схемы ЭОП с волокон- Рис.1. 9. Схема ЭОП с канальным усиле но-оптическими пластинами (а) и схема прохо- нием (а) и умножения электронов в ка ждения света в волокне (б):1 – фотокатод;

2 – нале (б):1 – световой поток;

2 – фото люминесцентный экран;

3 – волоконно- катод;

3 – микроканальная пластина;

оптические пластины;

4 – стеклянная оболочка – люминесцентный экран;

5 – электрон, волокна;

5 – элемент изображения на входе во- влетевший в канал;

6 – вторичные элек локна;

6 – световые лучи, идущие от элемента троны;

7 – металлический;

8 – оболочка изображения канала;

9 – выходной поток электронов 2.1.2.3. Тепловые приемники излучения Принцип действия тепловых приемников излучения основан на использовании терми ческого эффекта. Падающее на чувствительный элемент оптическое излучение приводит к повышению его температуры и изменению параметра, от нее зависящего (сопротивления, емкости и др.), что фиксируется измерительной схемой, в которую включается чувствитель ный элемент.

Болометр – фоточувствительный прибор, действие которого основано на изменении его комплексного сопротивления при повышении температуры чувствительного элемента, происходящего из-за поглощения им оптического излучения.

В зависимости от материала чувствительного элемента болометры бывают металличе ские (никелевые, висмутовые, золотые, платиновые), полупроводниковые (германиевые, кремниевые, оксидные на основе никеля, кобальта и марганца), диэлектрические.

Пироэлектрические приемники излучения – приборы, в основу работы которых по ложен пироэлектрический эффект кристаллов. Его сущность заключается в изменении поля ризации пироактивного кристалла в процессе изменения температуры на его гранях. Поляри зация кристалла – это пространственное разделение зарядов, сопровождающееся возникно вением на одной из граней кристалла положительного заряда, а на другой – отрицательного.

Пироэлектрический эффект проявляется только при наличии изменения температуры кри сталла во времени, т. е. при регистрации модулированного или импульсного излучения. Пи роэлектрическим эффектом обладают монокристаллы триглицинсульфата (ТГС), ниобата лития, керамики типа титаната цирконата свинца, сульфата лития, стронций-барий ниобата и др.

Особенностью пироэлектрических приемников излучения является то, что для их рабо ты не требуется источника питания, так как они сами являются генераторами ЭДС.

Тепловые приемные устройства (ТПУ) – приборы, чувствительные к оптическому излучению и состоящие из чувствительного элемента (болометра или пироэлектрического приемника излучения) и схемы предварительного усиления и обработки электрического сиг нала, размещенных в едином корпусе. По своей функциональной структуре они являются приборами, подобными ФПУ. Различие состоит лишь в том, что в ФПУ в качестве чувстви тельных элементов используются полупроводниковые фотоэлектрические приемники, а в ТПУ – тепловые приемники. Поэтому ФПУ обладают селективной чувствительностью, а ТПУ – песелективной.

Система параметров тепловых приемников излучения такая же, как и у фотоэлектриче ских приемников излучения (фоторезисторов) и ФПУ.

2.1.3. Приемники излучения (фотоэлектрические приборы) В фотоэлектрических приборах осуществляется преобразование световой энергии в электрическую. По принципу действия эти приборы делятся на две группы: фотоприборы с внешним фотоэффектом (электровакуумные и газонаполненные) и фотоприборы с внут ренним фотоэффектом (полупроводниковые приемники излучения).

2.1.3.1. Электровакуумные фотоэлектрические приборы Электровакуумный фотоэлемент, использующий фотоэлектронную эмиссию, – это ди од, у которого на внутренней поверхности стеклянного баллона нанесен фотокатод. Под дей ствием электромагнитного излучения фотокатод эмитирует электроны. Анод, выполненный в виде металлического кольца, собирает электроны. В электровакуумных фотоэлементах в баллоне создается высокий вакуум. В газонаполненных для заполнения баллона используют инертный газ, и увеличение в них тока, текущего через прибор, происходит за счет несамо стоятельного газового разряда.

Свойства и особенности фотоэлементов отражаются на их вольт-амперных I ф = f (U ) при Ф = const и энергетических I ф = f (Ф ) при U = const характеристиках (где I ф – фото ток, Ф – световой поток), а также спектральных характеристиках K ф ( ) = f ( ) (где K ф – чувствительность фотокатода к квантам света с длиной волны ). Вид этих характеристик для вакуумных фотоэлементов показан на рис. 1.10.

Электровакуумные фотоэлементы обладают малой инерционностью. Применяются в различных устройствах автоматики, аппаратуре звукового кино, приборах для физических исследований. Основные их недостатки – невозможность микроминиатюризации, высокие анодные напряжения, малая интегральная чувствительность – ограничивают их применение, и во многих видах аппаратуры вместо них используют полупроводниковые приемники из лучения.

Остановимся подробнее на разновидности вакуумного фотоэлектрического прибора – фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Рабочие токи обычных фотоэлементов составляют всего несколько микроампер. Этот недостаток в ФЭУ отсутствует, так как в них осуществля ется усиление фототока за счет вторичной электронной эмиссии. Принцип работы ФЭУ за ключается в следующем (рис. 1.11).

Рис. 1.10. Вольт-амперные и спектральные характеристики фотоэлементов В ФЭУ используют вспомогательные электроды (диноды D1, D2...Dm), с которых осу ществляется вторичная эмиссия. Слабый световой поток (порядка 10-3 лм и меньше) вызыва ет фотоэлектронную эмиссию из фотокатода ФК. Вылетевшие электроны под действием ус коряющего поля направляются и фокусируются на электрод D1, выполненный из металла с большим коэффициентом вторичной эмиссии = 6...8. Выбитые из динода D1 вторичные электроны образуют ток I 1 = I ФК, где I ФК – ток, образованный первичными электронами фотокатода. Поле второго дино да D2 ускоряет появившиеся вторичные электроны, которые в свою очередь выбивают вто ричные электроны из динода D3 и т.д. Если m – число динодов, то к аноду А придет поток электронов в m раз больший, чем было испущено фотокатодом. Коэффициент усиления ФЭУ M = m. Потери электронов в одном ускоряющем и фокусирующем каскаде системы учитывают с помощью коэффициента. Тогда M = ( ) m.

Рис. 1.11. Устройство фотоэлектронного умножителя Для повышения эффективности работы ФЭУ разработаны приборы с различной фор мой и расположением электродов. Основные параметры ФЭУ: область спектральной чувст вительности;

число ступеней умножения;

коэффициент усиления;

темновой ток, ограничи вающий минимальный световой поток, который может регистрировать ФЭУ.

Одна из последних разработок ФЭУ использует эффект умножения числа носителей заряда в р-п-переходе под действием быстрых электронов. обладающих значительной энер гией. В качестве умножающих элементов используются диодные и транзисторные структу ры. При бомбардировке свободными электронами с энергией до 10 кэВ в р-п-переходе идет генерация пар носителей заряда. На р-п-переход подается обратное напряжение. Поле пере хода разделяет носители, в цепи анода появляется ток. Коэффициент усиления пропорциона лен коэффициенту умножения носителей в полупроводнике. Такие гибридные ФЭУ имеют большие выходные токи (до 0,5 А в стационарном и до 20 А в импульсном режиме). Малые габариты и высокое быстродействие дают возможность применять ФЭУ для регистрации световых потоков малой интенсивности в астрономии, телевидении, фототелеграфии. Им пульсные и высокочастотные ФЭУ применяют для регистрации слабых световых импульсов, следующих через наносекундные промежутки времени.

2.1.3.2. Фотопроводимость полупроводников При падении на фоточувствительную поверхность прибора оптического излучения оно частично отражается и частично поглощается поверхностью. При поглощении оптического излучения в полупроводниковом материале возникают электроны и дырки, которые создают избыточную электропроводность, называемую фотопроводимостью (внутренний фотоэф фект). Степень фотопроводимости зависит от коэффициента поглощения фотонов материа лом, скорости генерации носителей заряда, от квантового выхода, т.е. от числа электронно дырочных пар, образуемых под действием одного кванта излучения.

Для полупроводниковых материалов при оценке проходящей, отраженной и поглощен ной световой энергии используют ряд коэффициентов, из которых отметим коэффициент поглощения ф. Коэффициент ф является постоянной величиной, характеризующей уменьшение мощности излучения по координате х, направленной в глубь полупроводника нормально к его поверхности:

x P( x) = Pпад (0)e ф где Рпад(0) – мощность излучения падающего на поверхность полупроводника.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны излучения (частоты, энергии кванта) называют спектром поглощения. Отдельные области спектра соответствуют различ ным механизмам поглощения энергии излучения в полупроводниках. Существует ряд меха низмов поглощения энергии, из которых наиболее значимыми являются собственное и при месное поглощения.

Фотопроводимость возникает, когда энергия фотонов превышает некоторое пороговое значение. При собственном поглощении пороговую энергию определяет ширина запрещен ной зоны, а при примесном – энергия активации соответствующего уровня примесного цен тра.

Свойства фотоприборов описываются системой характеристик и параметров. Наиболее часто используются следующие характеристики:

• спектральная характеристика чувствительности отражает реакцию прибора на воз действие излучения с различной длиной волны. Она определяет спектральную область при менение прибора;

• энергетическая характеристика отражает зависимость фотоответа прибора от интен сивности возбуждающего потока излучения (ампер-ваттная, вольт-ваттная, люкс-амперная характеристики);

• пороговые характеристики показывают способность фотоприбора регистрировать излучение малой интенсивности;

• вольт-амперная характеристика отражает зависимость тока фотоприемника от при ложенного к нему напряжения.

Из большого числа используемых параметров отметим следующие: темновое сопро тивление – сопротивление прибора в отсутствие падающего на него излучения;

I T – темно вой ток, проходящий через прибор при указанном напряжении в отсутствие потока излуче ния;

токовая чувствительность ST (А/лм или А/Вт) определяет значение фототока, созда ваемого единичным потоком излучения.

Инерционность прибора характеризуют частотные характеристики, которые описывают зависимость чувствительности от частоты модуляции излучения или длительности импуль сов, а также постоянные времени нарастания н и спада сп фотоотклика при импульсном излучении.

2.1.3.3. Фоторезисторы Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте.

При облучении фоторезистора фотонами в полупроводниковом фоточувствительном слое возникает избыточная концентрация носителей заряда. Если к фоторезистору приложе но напряжение, то через него будет проходить дополнительная составляющая тока – фото ток, обусловленный избыточной концентрацией носителей.

Фототок соответствует прохождению через фоторезистор и через внешнюю цепь электронов.

Принцип устройства фоторезистора поясняется на рис. 1.12, а.

На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами по краям. Схема включения фоторезистора приведена на рис. 1.12, б. Полярность источника питания не играет роли.

Если облучения нет, то фоторезистор имеет некоторое большое сопротивление RТ, на зываемое темновым. Оно является одним из параметров фоторезистора и составляет …107 Ом. Соответствующий ток через фоторезистор называют темновым током.

При действии излучения с достаточной энергией фотонов на фоторезистор в нем про исходит генерация пар подвижных носителей заряда (электронов и дырок) и его сопротивле ние уменьшается.

а) б) Рис. 12. Принцип устройства и схема включения фоторезистора Для фоторезисторов применяют различные полупроводники, имеющие нужные свойст ва. Так, например, сернистый свинец наиболее чувствителен к инфракрасным, а сернистый кадмий – к видимым лучам. Фоторезисторы характеризуются интегральной чувствительно стью S, т. е. отношением фототока Iф к световому потоку Ф при номинальном значении на пряжения: S = I ф / Ф.


А также удельной чувствительностью, т. е. интегральной чувствительностью отнесен ной к 1 В приложенного напряжения:

I S уд =, (ФU ) где Ф – световой поток.

Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен.

Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую ха рактеристику (рис. 1.13).

Спектральная характеристика фоторезистора – зависимость фототока от длины волны падающего света (рис. 1.14). Для каждого фоторезистора существует свой максимум спек тральной характеристики S max. Это связано с различной шириной запрещенной зоны ис пользуемых материалов. Максимум спектральной характеристики может находиться в ин фракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях спектра.

К параметрам фоторезисторов кроме темнового сопротивления и удельной чувстви тельности следует еще отнести максимальное допустимое рабочее напряжение (до 600 В), кратность изменения сопротивления (может быть до 500), температурный коэффициент фо I тотока ТКФ =. Значительная зависимость сопротивления от температуры характерная I T для полупроводников является недостатком фоторезисторов.

а) б) Рис. 13. Вольт-амперная (а) и энергетическая (б) характеристики фоторезистора Существенным недостатком надо считать также их большую инерционность, объяс няющуюся довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекраще ния облучения. Практически фоторезисторы применяются лишь на частотах не выше не скольких сотен герц или единиц килогерц. Собственные шумы фоторезисторов значительны.

Тем не менее, фоторезисторы широко применяются в различных схемах автоматики и во многих других устройствах.

Рис. 1.14. Спектральные характеристики фоторезисторов 2.1.3.4. Фотодиоды Фотодиодом называют полупроводниковый диод, в котором используется внутренний фотоэффект, т. е. обратный ток диода зависит от освещенности (светового потока). Фотодио ды изготовляются на основе электронно-дырочных переходов, контактов металл полупроводник и гетеропереходов (рис. 1.15, а).

Под воздействием светового потока на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Добавка к обратному току, связанная с освещением, называется фототоком Iф. Полная величина обратного тока I обр. = I т + I ф, где I т – темновой ток (при нулевом световом потоке Ф = 0), т. е. это обратный ток обычного диода.

Фототок обычно представляют выражением I ф = S I инт Ф, а коэффициент пропорцио нальности S I инт называют интегральной токовой чувствительностью фотодиода. Инте гральная чувствительность обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Она зависит от длины волны световых лучей и имеет максимум при некоторой длине волны, различной для разных полупроводников.

а) б) Рис. 1.15. Принцип устройства и схема включения фотодиода Темновой ток фотодиода (Ф = 0) описывается уравнением I т = I 0 [exp(U / Т ) 1];

U 0, kT где Т = – температурный (тепловой) потенциал, где k – постоянная Больцмана, Т – q абсолютная температура, q – заряд электрона, а семейство вольт-амперных характеристик при Ф I обр = I Т + I ф = I 0 [exp(U / Т ) 1] + S IинтФ.

Это семейство характеристик изображено в III квадранте на рис. 1.16. На рис. 1.15, б показана схема включения фотодиода с резистором Rн. Изменение напряжения на резисторе Rн и есть полезный эффект, связанный с освещением. Если Rн = 0 (режим короткого замыка ния), то в цепи течет так называемый фототок короткого замыкания Iкз, соответствующий на рис. 1.16 значению при U = 0.

Рис. 1.16. Семейство статических характеристик фотодиода Имеется несколько разновидностей фотодиодов, основные из которых будут обсужде ны далее. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в p-n переходе и за счет этого в десятки раз возрастает чувствительность. В фотодиодах с барье ром Шотки имеется контакт полупроводника с металлом. Это диоды с повышенным быстро действием. Улучшенными свойствами обладают фотодиоды с гетеропереходами. Все фото диоды могут работать и как генераторы ЭДС. Наибольшее распространение, например, в во локонно-оптических системах передачи информации (ВОСП) получили лавинные и p-i-n фо тодиоды.

2.1.4. Разновидности фотодиодов Фотодиоды (ФД) – малоинерционные фотоприемники. Инерционность их зависит от емкости p-n-перехода, условий разделения электронно-дырочных пар и сопротивления на грузки. В оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт-дисков и других устройствах требуются фотоприемники с высоким быстродействием (несколько на носекунд и менее). К фотоприборам, обладающим малой инерционностью, относятся p-i-n фотодиоды и лавинные фотодиоды.

2.1.4.1. P-i-n фотодиоды В p-i-n фотодиоде (рис. 1.17, а) на подложке п сформирован слаболегированный i-слой (полупроводник с собственной проводимостью) и слой p+ толщиной до 0,3 мкм.

При подаче обратного напряжения между р- и п-областями (рис. 1.17, б) создается зна чительная разность потенциалов, то есть сильное электрическое поле, обедненным оказыва ется весь i-слой. В результате емкость перехода уменьшается, расширяется область погло щения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемое излу чение в структуре затухает по экспоненте в зависимости от коэффициента поглощения и вы зывает появление фотовозбужденных носителей (электронов и дырок). Электрическое поле обедненного слоя (напряженность поля около 103 В/см), ускоряет носители до скорости на сыщения (около 107 см/с). При этом сильное электрическое поле заставляет электроны дрей фовать к положительно заряженной п-области, а дырки к отрицательно заряженной р области. Таким образом, создаётся фототок (ток дрейфа):

Iф = Neq, (1.1) где q – заряд электрона (1,60·10-19 К), Nе – число электронов, перешедшее под воздейст вием фотонов из валентной зоны через запрещенную в зону проводимости.

а) б) Рис. 1.17. Устройство (а) и принцип работы p-i-n фотодиода Ясно, что фототок возникает лишь в случае, когда энергия фотона Eф соответствует ширине запрещенной зоны, то есть:

I ф 0, если Eф E x, (1.2) I ф = 0, если Eф E x.

Однако по разным причинам не каждый поглощённый фотон вызовет появление элек трона в зоне проводимости (например, часть фотонов отражается от внешней поверхности полупроводника). Поэтому N е = N ф вн, (1.3) где вн – внутренняя квантовая эффективность, характеризующая эффективность пре образования фотонов в электрический ток.

Число фотонов N ф определяется отношением мощности излучения Pизл, воздействую щей на ФД, к энергии фотона Eф. Учитывая это, из (1.3) и (1.1) найдём величину фототока Pизл вн q, Iф = (1.4) Eф c причем E ф = h f = h, где – длина волны;

с – скорость света (3·108 м·сек-1);

h – постоянная Планка (6,63·10-34Дж·с).

Iф Величина S = (А/Вт) называется токовой чувствительностью ФД. Определим чув Pизл q q ствительность с помощью формулы (1.4) S = вн или S = вн. С подстановкой зна hc h f вн.

чений констант получаем S = 1, Так, при = 0,85 мкм;

вн = 0,7;

S = 0,48 А/Вт. Как видно из (1.4), величина фототока при заданных и вн определяется только мощностью излучения. Практически, однако, при отсутствии излучения через запертый диод течёт обратный ток Iт, называемый темновым.

Этот ток вызывается электронами, перешедшими под влиянием температурных изменений из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому, чем меньше величина энергии запрещён ной зоны ( E з ), тем больше величина Iт. Так, у кремниевого ФД ( E з = 1,11 эВ) этот ток меньше, чем у германиевого ( E з = 0,66 эВ).

Из соотношений (1.2) и (1.4) следует, что фототок может существовать лишь при вы полнении условия hc.

Eз Физически это означает, что фотодиод, выполненный из данного вещества может реги стрировать излучение лишь до некоторой граничной длины волны:

1, гр =, Ез называемой длинноволновой границей чувствительности. Например, для кремния 1, = 1,55 мкм, для германия гр = 1,88 мкм. Зависимость S = F ( ) называется спек гр = 1, тральной характеристикой ФД и представлена на рис. 1.18, а. Здесь завал характеристики на длинных волнах (то есть на низких частотах) объясняется резким уменьшением I ф выше гр, завал на коротких волнах (высоких частотах) объясняется шунтирующим действием емкости запертого р-п-перехода эквивалентной схемы ФД (рис. 1.18, б). Широкополосность ФД (или полосу пропускания) определяют на уровне 0,707 SM, где SM – максимальная чувствитель ность ФД на волне 0 (рис. 1.18, а).

Вольтамперная характеристика p-i-n ФД строится согласно равенству (4). Если ФД за перт, величина фототока определяется лишь мощностью излучения Pи. Если открыть ФД, то через него потечёт прямой ток (ток диффузии), значительно превышающий фототок (рис.

1.19, а). Наконец, если излучение отсутствует, через ФД течёт темновой ток Iт.

а) б) Рис. 1.18. Спектральная характеристика (а) и эквивалентная схема фотодиода Важной характеристикой ФД является их быстродействие б – зависимость времени нарастания (спада) фототока при воздействии на ФД импульса мощности излучения (рис. 19, б). При этом величину б определяют па уровне между 0,1 I фм и 0,9 I фм, где I фм – мак симальное значение установившегося фототока. Поскольку величина б определяется вре менем дрейфа носителей через i-область, для увеличения быстродействия ФД необходимо выполнять i-область узкой. С другой стороны, для увеличения квантовой эффективности i область желательно делать широкой. За пределами обедненного слоя носители двигаются диффузионно с относительно низкой скоростью (примерно 104 см/с). За счет этого быстро действие несколько снижается поэтому необходимо сконцентрировать поглощение излуче ния в обедненном слое, что достигается особенностями структуры p-i-n диода (слой р+ дела ют очень тонким, а слой i – больше длины поглощения излучения).


а) б) Рис. 1.19. Вольтамперная характеристика (а) импульсная характеристика (б) фотодиода 2.1.4.2. Лавинные фотодиоды Главным отличием лавинного фотодиода (ЛФД) от обычного фотодиода является внут реннее усиление сигнала, базируемое на лавинном электронном умножении сигнала. В ла винном фотодиоде излучение также поглощается в обедненном слое. Эффективное лавинное размножение получается при условии, что толщина обедненной области с участком сильного электрического поля превышает длину свободного пробега носителя.

Если структура слоев у обычного фотодиода имеет вид p+-i-n+ то у ЛФД добавляется р слой (p+-i-р-n+) (рис. 1.20). Причем профиль распределения легирующих примесей выбира ется так, чтобы наибольшее сопротивление, а следовательно, и наибольшую напряженность электрического поля имел р-слой. При воздействии света на i-слой образуются электронно дырочные пары. Благодаря небольшому полю происходит направленное движение носителей к соответствующим полюсам.

Рис. 1.20. Структура лавинного фотодиода При попадании свободных электронов из i-слоя в р-слой их ускорение становится более ощутимым из-за высокого электрического поля в р-слое. Ускоряясь в зоне проводимости р слоя, такие электроны накапливает энергию достаточную, чтобы выбить (возбудить) другие электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс носит название лавинного усиления или умножения первичного фототока. Коэффициент умножения составляет не сколько десятков, поэтому токовая чувствительность ЛФД значительно выше токовой чувст вительности p-i-n фотодиодов.

Коэффициент умножения М определяется по формуле М=, n UД 1 U пр где U Д – напряжение внешнего обратного смещения;

U пр – напряжение обратного сме щения, при котором наступает электрический пробой фотодиода – обычно это напряжение порядка 100 В, но может достигать в некоторых устройствах нескольких сот вольт, n – число в диапазоне от 3 до 6.

ЛФД имеют высокое быстродействие, однако случайная природа лавинного тока при водит к шуму. В отличие от полезного сигнала, который усиливается пропорционально М, шум усиливается быстрее (приблизительно как М2,1). В результате этого выбирается опти мальное значение коэффициента умножения М, обычно в пределах от 30 до 100.

Особенностью работы ЛФД являются более высокое рабочее напряжение по сравнению с p-i-n фотодиодами и повышенная температурная чувствительность коэффициента умноже ния. Это требует использования специальной электрической цепи, вырабатывающей необхо димое рабочее напряжение, а также системы термостабилизации, что усложняет схему включения ЛФД и их использование в оптических интегральных схемах.

Достоинством ЛФД является высокая чувствительность, что позволяет использовать их в детекторах слабых оптических сигналов.

Типовые характеристики фотоприемников приведены в табл. 1.1.

2.1.4.3. Фотоэлементы Полупроводниковый фотоэлемент – полупроводниковый прибор с р-n-переходом, предназначенный для прямого преобразования световой энергии в электрическую. Фотоэле менты представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие под действием излучения собственную ЭДС (рис. 1.21). Такой режим работы на зывается вентильным или фотовольтаическим. Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые вентильными или фотогальваническими, служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу, они представляют собой фотодиоды, ра ботающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действи ем излучения.

Таблица 1. Типовые характеристики фотоприемников Токовая чувстви- Темновой ток, Время нарастания, Фотоприемник тельность, А/Вт нА нс p-i-n фотодиод (InGaAs) 0,8 0,1…3 0,01… p-i-n фотодиод (Si) 0,5 10 0,1… Лавинный фотодиод (InGaAs) 20…60 30 0, Лавинный фотодиод (Gе) 20…60 400 0,3… Фотоны, воздействуя на р-п-переход и прилегающие к нему области, вызывают генера цию пар носителей заряда. Возникшие в п- и р-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует и на носители заря да, возникающие в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных но сителей, например для электронов, возникших в р-области, поле перехода является уско ряющим. Оно перебрасывает электроны в п-область. Аналогично дырки перебрасываются полем из п-области в р-область. А для основных носителей, например дырок в р-области, по ле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области (рис. 1.21, а). В результате данного процесса в п- и р-областях накапливаются избыточные носители, т. е.

создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, ко торую называют фото-ЭДС ( Еф ). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по не линейному закону (рис. 1.21, б). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку (рис. 1.21, в) возни кает фототок I ф = Еф /( Rн + Ri ), где Ri – внутреннее сопротивление самого фотоэлемента.

а) б) в) Рис. 21. Разделение возбужденных светом носителей под действием поля р-п-перехода (а), зависимость фото-ЭДС от светового потока (б), схема включения фотоэлемента (в) Первые вентильные фотоэлементы из гемиоксида (закиси) меди были разработаны еще в 1926 г. В дальнейшем особенно широко применялись селеновые фотоэлементы, сделанные на основе селена р-типа. В пластинке такого селена создавался тонкий слой п-типа, на кото рый воздействовал световой поток. Интегральная чувствительность селеновых фотоэлемен тов доходила до нескольких сотен микроампер на люмен. Они имели спектральную характе ристику почти такую же, как у человеческого глаза, что было удобно для различных фото метрических методов. Значительный интерес представляли сернистоталлиевые фотоэлемен ты. У них чувствительность достигала тысяч микроампер на люмен. Недостаток вентильных фотоэлементов – низкие частотные свойства и значительная зависимость интегральной чув ствительности от температуры.

В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в элек трическую, и ЭДС их достигает 0,5 В. Из таких элементов путем последовательного и парал лельного соединения создаются солнечные батареи, которые обладают сравнительно высо ким КПД (до 20%) и могут развивать мощность до нескольких киловатт.

2.1.5. Фототранзисторы Фототранзистор является приемником излучения и одновременно усилителем фотото ка. Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фото транзисторов.

2.1.5.1. Биполярный фототранзистор Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, но в корпусе его сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на об ласть базы. Схема включения биполярного фототранзистора типа р-п-р со «свободной», т. е.

никуда не включенной, базой, приведена на рис. 1.22, а. Как обычно, на эмиттерном перехо де напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Рис. 1.22. Структура и схема включения фототранзистора со «свободной» базой (а), выходные характеристики (б) Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда – электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение, так же как в фотодиоде.

Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увели чивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмит терного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополни тельно увеличивается ток коллектора. В транзисторе типа п-р-п все происходит аналогично.

Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фото диода и может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототранзистор со «свободной» базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка применяют схемы стабилизации. При этом, конечно, должен быть использован выход базы. На этот вы вод можно также подавать постоянное напряжение смещения или электрические сигналы и осуществлять совместное действие этих сигналов и световых.

Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис. 1.22, б. Они аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с общим эмиттером, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы.

Из теории транзисторов известно, что коллекторный ток Iк при Iб = 0 (база отключена) в ( + 1) раз больше, чем Iкб0 (при Iэ = 0). В этом случае через транзистор идет сквозной кол лекторный ток I кэ0 I кб 0. Следовательно, ток фототранзистора при Iб = 0 и обратном вклю чении коллекторного перехода будет равен I кэ0 = ( I кб 0 + I Ф ), где I кб0 – темновой ток фо тотранзистора;

I ф = K ф Ф – световой ток фототранзистора;

Кф – интегральная фоточувст вительность фототранзистора, которая в раз больше, чем у фотодиода, при прочих равных условиях.

Параметры фототранзисторов с интегральная чувствительность, рабочее напряжение (10…15 В), темновой ток (до сотен микроампер), рабочий ток (до десятков миллиампер), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков милливатт), граничная час тота. Фототранзисторы, изготовленные сплавным методом, имеют граничные частоты до не скольких килогерц, а изготовленные диффузионным методом (планарные) могут работать на частотах до нескольких мегагерц. Недостаток фототранзисторов – сравнительно высокий уровень собственных шумов.

Необходимо отметить, что у фототранзистора можно дополнительно использовать вы вод базы для электрического управления фототранзистором, например, для компенсации по сторонних внешних воздействий.

2.1.5.2. Полевые фототранзисторы В качестве приемников излучения используются полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом или МДП-транзисторы. Рассмотрим полевой транзистор с управляющим р-n переходом и каналом n-типа (рис. 1.23). Управление током стока в этом транзисторе осуще ствляется с помощью света. Световой поток генерирует носители заряда в области затвора и перехода затвор-канал. Электрическое поле этого перехода разделяет носители заряда. Кон центрация электронов в канале увеличивается, сопротивление канала уменьшается, ток стока возрастает. Концентрация дырок в области затвора также возрастает. Возникает фототок в цепи затвора, который создает падение напряжения на сопротивлении. Обратное напряжение на переходе канал-затвор уменьшается, ширина его также уменьшается, что приводит к уве личению ширины канала и дополнительному увеличению тока стока. В фототранзисторах типа МДП с индуцированным каналом за счет теплового воздействия удается изменять зна чение порогового напряжения и крутизну транзистора.

Рис. 1.23. Полевой транзистор с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа 2.1.5.3. Фототиристоры Фототиристор представляет собой аналог управляемого тиристора, но переключение его в открытое состояние производится световым импульсом. Структура фототиристора по казана на рис. 1.24, a.

Переключение фототиристора из закрытого состояния в открытое происходит, так же как у обычного При действии света на область базы р1 в этой области генерируются электроны и дыр ки, которые диффундируют к p-n-переходам. Электроны, попадая в область перехода П2, на ходящегося под обратным напряжением, уменьшают его сопротивление. За счет этого про исходит перераспределение напряжения, приложенного к тиристору;

напряжение на перехо де П2 несколько уменьшается, а напряжения на переходах П1 и П3 несколько увеличиваются.

Но тогда усиливается инжекция в переходах П1 и П3. К переходу П2 приходят инжектирован ные носители, его сопротивление снова уменьшается и происходит дополнительное перерас пределение напряжения, еще больше усиливается инжекция в переходах П1 и П3 ток лавино образно нарастает, т. е. тиристор отпирается.

а) б) Рис. 1.24. Структура (а) и вольт-амперные характеристики (б) фототиристора Чем больше световой поток, действующий на фототиристор, тем при меньшем напря жении он включается. Это наглядно показывают вольт-амперные характеристики фототири стора, приведенные на рис. 1.24, б. После включения на тиристоре устанавливается, как обычно, небольшое напряжение и почти все напряжение источника Е падает на нагрузке.

Иногда у фототиристора бывает сделан вывод от одной из базовых областей. Если через этот вывод подавать на соответствующий эмиттерный переход прямое напряжение, то можно по нижать напряжение включения. Само включение по-прежнему будет осуществляться дейст вием светового потока.

Вольт-амперные характеристики фототиристора при различных световых потоках по казаны на рис. 24, б. Увеличение светового потока Ф приводит к уменьшению напряжения переключения. Фототиристор остается во включенном состоянии после окончания светового импульса.

Одним из основных параметров фототиристора является пороговый поток или мощ ность излучения, обеспечивающие гарантированное включение фототиристора при заданном напряжении источника питания. Значение порогового светового потока можно изменять за счет тока управляющего электрода.

2.1.5.4. Оптопары Оптопарой называется полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объеди нены управляемый источник излучения и фотоприемник, имеющие между собой оптическую связь. Принципиальное устройство оптопары и условные обозначения диодной и транзи сторной оптопар представлены соответственно на рис. 1.25. Усиление или просто преобразо вание входного электрического сигнала происходит при изменении входного тока. Прохо дящего через светоизлучающий диод, которое вызывает изменение яркости его свечения.

При этом изменяются освещенность приемника излучения, его сопротивление и соответст венно ток на выходе оптопары. Двойное преобразование энергии из электрической в свето вую и обратно позволяет передавать энергию из одной электрической цепи в другую.

Основные достоинства оптопар:

– отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между фотоприемником и излучателем;

– широкая полоса частот пропускаемых колебаний;

– возможность передачи сигналов с частотой от 0 до 1014 Гц;

– высокая помехозащищенность оптического канала, т.е. его невосприимчивость к воз действию внешних электромагнитных полей;

– возможность совмещения в радиоэлектронной аппаратуре с другими микроэлектрон ными приборами.

а) б) в) Рис. 1.25. Принципиальное устройство оптопары (а) и условные обозначения диодной (б) и транзисторной (в) оптопар Интегральная схема, состоящая из нескольких оптопар с дополнительными устройст вами для обработки сигналов, поступающих от фотоприемника, называется оптронной ин тегральной схемой. В качестве светоизлучателей в оптопарах используют светоизлучающие диоды и лазеры. Диоды имеют высокий КПД преобразования электрической энергии в све товую, работают с малыми токами и напряжениями, долговечны. Лазеры используют в быст родействующих системах. Различные типы оптопар отличаются друг от друга фотоприемни ками. Резисторная оптопара состоит из излучателя – светоизлучающего диода, работающего с видимым или инфракрасным излучением, и приемника – фоторезистора, работающего как на постоянном, так и переменном токе. Диодная оптопара состоит из светоизлучающего дио да на арсениде галлия и кремниевого фотодиода. Транзисторная оптопара в качестве прием ника использует биполярный кремниевый фототранзистор, работающий в ключевом режиме.

В тиристорной оптопаре в качестве приемника используется кремниевый фототиристор, ра ботающий в ключевом режиме.

Важнейший параметр оптопары – коэффициент передачи по току КI, который опреде ляется спектральным согласованием светоизлучателя фотоприемника и оптической среды, прозрачностью оптической среды, внешним квантовым выходом и коэффициентом усиления фотоприемника.

Оптоэлектронные устройства находят широкое применение как элементы электриче ской развязки в цифровых и импульсных устройствах, устройствах передачи аналоговых сигналов, в системах автоматики для бесконтактного управления высоковольтными источ никами питания, для формирования мощных импульсов, в коммутаторных устройствах, для связи различных датчиков с измерительными блоками и т. п.

2.1.6. Обобщенные сведения о приемниках оптического излучения 2.1.6.1. Общие вопросы Мощность излучения большинства источников света, сосредоточенная в узком спек тральном интервале, как правило, невелика. Так, в случае черного источника теплового из лучения, нагретого до 3000 К, спектральная плотность мощности при = 1 мкм составляет всего 0,1 Вт/см2 нм · ср. Отсюда видно, что при поверхности излучателя порядка 1 мм2 и при ширине полосы 0,01 нм величина испускаемой мощности имеет порядок сотых долей милли ватта. Если учесть небольшую величину телесного угла, в пределах которого световой поток может использоваться спектральным прибором, и различные виды потерь, мощность, подле жащая регистрации, оказывается значительно меньше. Исключение составляют лишь лазер ные источники, способные обеспечивать чрезвычайно высокую спектральную плотность мощности.

В зависимости от экспериментальных целей приемники должны удовлетворять требо ваниям, зачастую исключающим друг друга (например, высокая чувствительность, быстро действие, нужные габариты, заданная область спектра и др.). Поэтому существует большое разнообразие типов приемников излучения.

Одним из наиболее чувствительных приемников в видимой области спектра является глаз человека. В области максимальной чувствительности ( = 555 нм) глаз чувствует энер гию одиночной вспышки, соответствующую десятку фотонов. Однако визуальные наблюде ния позволяют лишь сравнивать величины световых потоков с одинаковым спектральным составом. Для количественных измерений глаз непригоден главным образом потому, что в зависимости от освещения его чувствительность меняется во много раз. Например, за полча са пребывания в темноте она возрастает примерно на три порядка.

Работа любого приемника излучения основана на взаимодействии излучения с чувстви тельным элементом приемника. В зависимости от характера этого взаимодействия приемни ки можно разделить на два класса: тепловые и фотонные (квантовые). Тепловые приемники реагируют на количество энергии, потраченной на нагревание приемного элемента. Тепловая энергия обычно преобразуется в электрическую с помощью какого-либо физического явле ния (термоэлектрического эффекта, изменения омического сопротивления при нагревании, пироэффекта и др.). Фотонные приемники реагируют на количество фотонов, поглощенных в приемном элементе. Действие большинства фотонных приемников основано на явлении фо тоэффекта. Они вырабатывают электрический сигнал и поэтому называются фотоэлектри ческими. Различают приемники фотоэмиссионные (с внешним фотоэффектом) и фотоэлек трические полупроводниковые (с внутренним фотоэффектом).

При заданной величине энергии, поступающей на приемник, отклик теплового прием ника (нагрев) в идеальном случае одинаков в любой спектральной области. Отклик фото электрического приемника (число возникших электронов) в этом случае растет с длиной волны: с ростом длины волны энергия единичного фотона hv уменьшается, поэтому в длин новолновой части спектра заданное количество энергии соответствует большему числу фо тонов, чем в коротковолновой.

На практике спектральная область работы приемника определяется поглощательной способностью его элемента и областью прозрачности входного окна. В фотоэмиссионных приемниках ограничение связано с красной границей фотоэффекта, вследствие чего их ха рактеристика имеет резкий спад при длине волны гр, зависящей от свойств фотокатода.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 10 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.