Фотоэлектрические преобразователи
Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового потока, падающего на преобразователь. Фотоэлектрические преобразователи или фотоэлементы делятся на три типа: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектомпредставляют собой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные баллоны, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. В затемненном состоянии через фотоэлемент проходит темновой ток, как следствие термоэлектронной эмиссии (порядка 10-12А) и утечки между электродами (порядка
10-10...10-7А). При освещении фотокатод под влиянием фотонов света имитирует электроны. Если между анодом и катодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом требуют применения усилителей, так как их мощность очень мала.
Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления, который может достигать значения 6...7. Чувствительность газонаполненных фотоэлементов значительно выше вакуумных и составляет 100...250 мкА/лм.
Вольт-амперные характеристики вакуумных и газонаполненных фотоэлементов имеют различный характер кривых насыщения. Преобразование светового потока в ток в вакуумных фотоэлементах зависит от напряжения питания фотоэлемента весьма незначительно, а это значит, что в данном случае динамическое сопротивление фотоэлемента остается практически неизменным.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы) представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Внутренний фотоэффект заключается в появлении свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атомов остающихся свободными внутри вещества. Фоторезисторы имеют высокую чувствительность и линейную вольт - амперную характеристику, т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Темповое сопротивление, чувствительность, инерционность зависят от температуры.
В зависимости от силы света электрическое сопротивление фоторезистора изменяется в пределах от 100 Ом до 1 кОм. Спектральная чувствительность определяется выбором материала. Фоторезисторы могут иметь самые разнообразные конструктивные решения, обеспечивающие разнообразие возможностей применения. Они обладают высокой удельной чувствительностью (до 7000 мкА/лмВ), что в некоторых случаях дает возможность обойтись без усилителей, низким температурным коэффициентом (-0,2% 1/град), сравнительно большой мощностью рассеивания (0,6...0,7 Вт); имеют практически неограниченный срок службы и достаточно стабильны. К недостаткам этих фотоэлементов можно отнести значительную инерционность и сравнительно высокий уровень шумов.
Фотогальванические преобразователи (фотодиоды и фототранзисторы)представляют собой активные светочувствительные полупроводники, создающие при поглощении света вследствие фотоэффектов в запорном слое свободные электроны и ЭДС.
Фотодиод (ФД) может работать в двух режимах - фотодиодном и генераторном (вентильном). Фототранзистор - полупроводниковый приемник лучистой энергии с двумя и большим числом p-n-переходов, в которых совмещен фотодиод и усилитель фототока.
Фототранзисторы, как и фотодиоды, применяются для преобразования световых сигналов в электрические. Однако в фототранзисторах наличие второго p-n-перехода увеличивает собственные шумы. Их чувствительность почти в два раза выше, чем у фотодиодов, и они обладают электрической и технологической совместимостью с интегральными схемами.