Приемники излучения. Классификация

                                       Содержание

1.Введение

2.Приемники излучения. Классификация

3.Полупроводниковые приемники излучения

4.Полупроводниковый фотодод

5.Фоторезисторы

5.1.Характеристики фоторезисторов

5.2.Параметры фоторезисторов.

6.Фотоэлектрические приемники излучения

7.Заключение

8.Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Введение

Приемник излучения является основным элементом оптико-электронного прибора. По существу, само название приборов -- оптико-электронные--обязано свойству приемника преобразовывать поток излучения в электрический сигнал.

Существуют различные определения приемника излучения, однако все они отражают главное свойство приемника - способность обнаруживать наличие излучения путем преобразования его в энергию других видов для последующей регистрации. В иностранной технической литературе это свойство приемника излучения находит выражение в названии - детектор, т. е. обнаружитель.

Таким образом, приемник излучения представляет собой устройство, служащее для восприятия энергии излучения и преобразования ее в энергию других видов с целью последующей регистрации результата этого преобразования, приводящей к обнаружению. Процесс обнаружения излучения состоит из двух основных этапов: преобразования энергии оптического излучения в другой вид энергии и регистрации преобразованной энергии. Например, в термоэлементе поток излучения вызывает появление электродвижущей силы, которая регистрируется обычным образом (гальванометром); в эвапорографе энергия излучения поглощается и вызывает нагрев и испарение масляной пленки, изменение толщины которой регистрируется интерференционными методами и т. д.[3]

2. Приемники излучения. Классификация

Приемники излучения -это устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения (в диапазоне от рентгеновских лучей с длиной волны l = 10-9см до радиоволн с l = 10-1см) в сигналы др. физической природы с целью их обнаружения и использования (изучения) информации, которую они несут. Приемники излучения часто являются одними из основных узлов автоматических приборов и систем управления. Они играют важную роль в научных исследованиях. Преобразование сигналов в приемниках излучения осуществляется в процессе взаимодействия поля электромагнитного излучения с тем или иным веществом; поле изменяет энергетические состояния электронов, атомов или молекул вещества, и эти изменения регистрируются.

Таким образом, приемник излучения представляет собой устройство, служащее для восприятия энергии излучения и преобразования ее в энергию других видов с целью последующей регистрации результата этого преобразования, приводящей к обнаружению. Процесс обнаружения излучения состоит из двух основных этапов: преобразования энергии оптического излучения в другой вид энергии и регистрации преобразованной энергии. Например, в термоэлементе поток излучения вызывает появление электродвижущей силы, которая регистрируется обычным образом (гальванометром); в эвапорографе энергия излучения поглощается и вызывает нагрев и испарение масляной пленки, изменение толщины которой регистрируется интерференционными методами и т. д.

Самую обширную группу составляют П. и. из чувствительного к излучению твёрдого вещества. К ним относятся болометры, у которых при поглощении излучения меняется сопротивление электрическому току; термоэлементы ,реакция которых на нагрев излучением состоит в появлении термо-эдс; пироэлектрические приемники излучения, изготовляемые из кристаллов сегнетоэлектриков— при взаимодействии с излучением на их поверхности появляется статический электрический заряд. Все эти приемники излучения относятся к тепловым приемникам излучения, т.к. в механизме преобразования энергии в них основную роль играет нагрев вещества излучением. Они применяются во всей рассматриваемой области спектра.

В фотоэлектрических приемниках излучения излучение непосредственно воздействует на электроны. В далёком ИК и диапазонах применяют п. и., в которых фотоны не изменяют концентрацию электронов проводимости в твёрдом теле, а либо изменяют их подвижность , либо оказывают давление на электроны путём передачи им импульса (эффект увлечения электронов фотонами,).Фотоэлектрические приемники излучения для диапазона 5—1000 мкм требуют охлаждения до 4—77 К, причём их рабочая температура должна быть тем ниже, чем больше длина волны регистрируемого излучения. При низких рабочих температурах для приёма излучения используется также явление сверхпроводимости и связанные с ним эффекты.

Приемники излучения могут классифицироваться по следующим признакам: виду энергии, в которую преобразуется излучение; характеру изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения; области спектра, где они наиболее чувствительны и находят наибольшее применение; рабочей температуре чувствительного слоя.

По виду энергии, в которую преобразуется излучение, приемники излучения делятся на тепловые, фотоэлектрические или фотонные, люминесцентные, фотохимические.

В тепловых приемниках энергия излучения преобразуется в теплоту, а регистрация преобразования сводится к измерению приращения температуры приемной площадки, нагретой вследствие облучения. Способ регистрации изменения температуры определяет конкретный тип теплового приемника излучения.

В термоэлементе изменение температуры приемной площадки вызывает появление электродвижущей силы в контуре, образованном двумя спаянными или сваренными проводниками из различных металлов.

В болометре изменение температуры вызывает изменение электрического сопротивления проводника или полупроводника.

В оптико-акустическом приемнике изменение температуры приемной поверхности, образующей одну из стенок газовой камеры, вызывает изменение температуры и объема газа и прогиб мембраны -- второй стенки газовой камеры.

В эвапорографе изменение температуры вызывает изменение толщины масляной пленки.

В диэлектрическом приемнике изменение температуры вызывает изменение диэлектрической проницаемости диэлектрика конденсатора, имеющей сильную температурную зависимость, и соответствующее изменение емкости конденсатора регистрируется. Разновидностью диэлектрического приемника является пироэлектрический приемник излучения, в котором диэлектриком конденсатора служит сегнетоэлектрик, т. е. вещество, на поверхности которого появляется электрический заряд при механических деформациях.

Неравномерный нагрев конденсатора приводит к деформациям, и на обкладках конденсатора возникают заряды, которые регистрируются.В термиконе изменение температуры вызывает изменение величины фотоэмиссии и т.д.В фотоэлектрических (фотонных) приемниках энергия излучения преобразуется в механическую энергию электронов, испускаемых облучаемым веществом. Если электроны, освобожденные квантами излучения, покидают вещество, из атомов которого они вырваны, то явление носит название внешнего фотоэффекта, если же электроны остаются в веществе, то явление называется внутренним фотоэффектом. Влияние внутреннего фотоэффекта на характеристики вещества может быть различным в зависимости от условий, которые созданы для освобожденных электронов. Если они могут перемещаться внутри вещества в любом направлении, то вещество остается нейтральным и лишь электропроводность его изменяется. Если же в веществе создаются условия односторонней проводимости и электроны могут перемещаться лишь в одном направлении, то в веществе возникает разность потенциалов, создающая ток во внешней цепи.

Фотоэлектрические приемники излучения, в которых используется явление внешнего фотоэффекта, называются фотоэмиссионными приемниками. К ним относятся вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фотоумножители, электронно-оптические преобразователи и некоторые телевизионные передающие трубки (диссектор, иконоскоп, ортикон, суперортикон и др.).

Приемники с внутренним фотоэффектом, в которых используется явление изменения электропроводности вещества, называются фоторезисторами или фотосопротивлениями.

Приемники, в которых используется явление возникновения ЭДс, называются фотогальваническими, вентильными фотоэлементами или фотоэлементами с запорным слоем.

Если в качестве контактирующих веществ в вентильном фотоэлементе применяются полупроводники с различным типом проводимости, то наряду с возникновением разности потенциалов между слоями с р- и п-проводимостью при неравномерном освещении чувствительного слоя образуется разность потенциалов вдоль р-n-перехода. Эту фото-ЭДС. называют продольной или боковой, а соответствующие приемники -- фотоэлементами с продольным или боковым эффектом.

Если к чувствительному элементу приемника излучения с запорным слоем приложить напряжение так, что оно препятствует возникновению тока во внешней цепи приемника при освещении, то изменение величины потенциального барьера под действием излучения приводит к изменению сопротивления и падению напряжения на приемнике. Этот режим работы называют фотодиодным. Изменение тока, проходящего через фотодиод при освещении, может усиливаться, как в обычном полупроводниковом триоде, тем же полупроводником, в котором создан запорный слой. В этом случае соответствующий комбинированный приемник излучения называется фото-триодом. Условия односторонней проводимости и, следовательно, появления э. д. с. при освещении, можно создать в полупроводнике, помещая его в магнитное поле, ориентированное по нормали к падающему излучению. В этом случае носители тока (электроны и дырки) отклоняются магнитным полем в противоположные стороны, что приводит к возникновению в образце разности потенциалов. Описанное явление носит название фотомагнитного эффекта.

В люминесцентных приемниках излучения происходит преобразование излучения одного спектрального состава в излучение другого спектрального состава. Типичным представителем этого типа приемников является метаскоп - светосостав, высвечивающийся под действием ИК-излучения за счет накопленной им световой энергии при предварительном облучении ультрафиолетом, синим излучением неба или радиоактивным веществом.

В фотохимических приемниках энергия излучения вызывает всевозможные химические превращения. В фотопластинке, например, происходит фотохимическая реакция разложения галоидных солей серебра, причем металлическое серебро выделяется, образуя скрытое изображение источника излучения. В глазу, человека под действием света в светочувствительных элементах сетчатки происходит фотохимический процесс, при котором продукты разложения вызывают раздражение зрительного нерва и световое ощущение.

В зависимости от характера изменения чувствительности приемника при изменении длины волны падающего излучения приемники излучения можно разделить на две большие группы: неселективные, чувствительность которых остается постоянной в определенном достаточно широком участке спектра; селективные, чувствительность которых зависит от длины волны падающего излучения.

К неселективным приемникам, в частности, относится большинство тепловых приемников излучения, у которых обеспечивается постоянство коэффициента поглощения приемной площадки при изменении длины волны за счет чернения -- покрытия копотью, испарения металлов в вакууме и т. д.

Приемники излучения можно относить к одной из пяти больших групп для областей спектра: ультрафиолетовой (1--380 нм); видимой (380--780 нм); ближней ИК-области (780--1400 нм); средней ИК-об-ласти (1,4--6,0 мкм); далекой ЙК-области (6,0--1000 мкм).

К первой группе относятся фотоэмульсии, некоторые фотоэмиссионные приемники, тепловые приемники и фоторезисторы.

Ко второй группе -- фотоэмиссионные приемники, главным образом с сурьмяно-цезиевым фотокатодом, фотоэмульсии, селеновые фотогальванические приемники, фоторезисторы из сернистого и селенистого кадмия и сернистого висмута, кремниевые фотогальванические приемники (солнечные батареи) и тепловые приемники.

К третьей группе -- фотоэмиссионные приемники с кислородно-цезиевым фотокатодом, сенсибилизированные фотоэмульсии, сернисто-таллиевые фоторезисторы и фотогальванические приемники ,сернисто-серебряные фотогальванические приемники, тепловые приемники, некоторые, фосфоры, сернисто-свинцовые фоторезисторы, германиевые и кремниевые фотодиоды и фототриоды.

К четвертой группе -- сернисто-свинцовые, теллуристо-свинцовые и селенисто-свинцовые фоторезисторы, фоторезисторы, фото-диоды и фотомагнитные приемники из сурьмянистого индия, фото-резисторы из германия, легированного золотом, и тепловые приемники.

К пятой группе -- тепловые приемники излучения, фоторезисторы из германия, легированного цинком или ртутью, фоторезисторы на основе тройных соединений, например кадмия--ртути--теллура.

Классификация приемников излучения по тем областям спектра, где они наиболее чувствительны и находят наибольшее применение, является достаточно условной, так как многие приемники используются в различных участках спектра. В ряде случаев такая классификация представляется оправданной, удобной и не исключает определения некоторых приемников как двух- и многодиапазонных, если это необходимо.

В принципе возможны любые температуры чувствительного слоя приемника, однако наиболее часто для неохлаждаемых приемников указываются значения «комнатной» температуры 293 К или 300 К, а для приемников охлаждаемых называются точки кипения различных веществ, используемых для охлаждения: 194,7 К--твердой углекислоты или сухого льда; 77,4 К -- жидкого азота; 27,3 К -- жидкого неона; 20,5 К -- жидкого водорода; 4,3 К -- жидкого гелия. В последних трех случаях, когда температура ниже 30 К, приемники называют глубоко охлаждаемыми.