Státnice z elektroniky

<< předchozí     následující >>

Kapitola 6
Fotocitlivé prvky

Fotoelektrické detektory mění energii optického záření na elektrický signál prostřednictvím interakce elektronů nebo atomů materiálu a fotonů dopadajícího zaření. Mezi nejdůležitější parametry patří: citlivost (změna výstupní elektrické veličiny při ozáření detektoru), spektrální charakteristika (udává citlivost detektoru pro určitou vlnovou délku), dynamické vlastnosti (určují množství informace zpracovatelné za jednotku času), šumové vlastnosti (určují dosažitelnou citlivost), voltampérová charakteristika, pracovní teplota (pro oblast mikrovln je nutné detektory chladit).

6.1  Fotorezistor

Pracuje na principu vnitřního fotoelektrického jevu – nelineární. Poměrně pomalý (závisí na osvětlení). Snižuje svůj odpor s rostoucím ozářením. Základem fotoodporu je monokrystal polovodiče, polykrystalická tenká vrstva nanesená na nosné destičce nebo spékané tyčinky či destičky, které jsou opatřeny dvěma kontakty a uloženy v hermetickém pouzdru zaručujícím přístup záření. Spektrální oblast, v níž pracují, je dána absorpční hranou (maximální vlnová délka, při níž může ještě dojít k absorpci). Z materiálů se užívá například CdS. Použití – pomalé měření (automatické zapínání osvětlení, indikace soumraku).

6.2  Fotodioda

PN a PIN fotodiody pracují na následujícím principu. Foton, který vstupuje do polovodiče s dostatečnou energií může být absorpován, přičemž vzniklý volný elektron a díra vytváří v polovodiči napětí (fotovoltaický jev) nebo zvětšují jeho vodivost (fotovodivostní jev) . Maximální vlnová délka, při níž může ještě dojít k absorpci, tzv. absorpční hrana, je dána vztahem
λmax = 1,24
ΔW
      [μm; eV].
Voltampérová charakteristika PN a PIN diody zasahuje do tří kvadrantů. Ve fotovoltaickém (hradlovém) režimu (IV. kvadrant) se dioda chová jako aktivní prvek. Dopadají-li na fotodiodu v hradlovém režimu fotony o energii větší než je šířka zakázaného pásu ΔW, dochází k jejich absorpci za vzniku párů elektron-díra. To znamená uvolnění elektronů do vodivostního pásu a děr do valenčního pásu.

Vedle slunečních článků jsou fotodiody provozovány v hradlovém režimu jako detektory s vysokou citlivostí. To je dáno tím, že jediným zdrojem v obvodu je právě fotodioda, což znamená výrazné omezení šumu ve srovnání s režimem fotovoltaickým („za tmy proud neteče“).

Ve fotovodivostním (odporovém) režimu se dioda chová jako pasivní prvek, jehož elektrický odpor klesá s intenzitou ozáření. Proto je fotodioda v sérii s ochranným rezistorem připojena ke zdroji napětí, který ji polarizuje do závěrného směru. Dopadající fotony generují volné elektrony a díry jako v případě fotovoltaického režimu. V tomto případě je však z důvodu závěrné polarizace na PN přechodu vyšší intenzita elektrického pole a tato oblast je širší a proto generované volné elektrony driftují vyšší rychlostí ke kontaktu katody, zatímco díry ke kontaktu anody. S rostoucí rychlostí nosičů se zvyšuje přenosová rychlost fotodiody (frekvenční šířka pásma). Proto se lze nejčastěji setkat s fotodiodou PIN, na jejíž střední oblasti o veliké ploše s téměř vlastní (intrinsickou) vodivostí o velikém odporu se dosáhne vysoké intenzity elektrického pole (rovnoměrně rozloženého). Toto pole zvyšuje rychlost nosičů a tím i šířku pásma. Nevýhodou je generace teplotně závislého proudu za tmy, což s sebou přináší přídavný šum a znemožňuje měření signálů s nízkou úrovní.

Nedostačuje-li citlivost těchto fotodiod, je možné použít lavinových PIN fotodiod , které vykazují vlastní zesílení. Toto zesílení fotoproudu je způsobeno přiložením velkého závěrného napětí, které urychluje dopadajícími fotony vzniklé nosiče náboje natolik, že při srážce s mřížkou krystalu polovodiče dojde k vyražení dalších (sekundárních) elektronů. Výhoda vlastního zesílení je vykoupena náročnější konstrukcí fotodiody a nutností polarizace diody. K tomu je zapotřebí kvalitní stabilizovaný zdroj napětí (Ge asi 30 V, Si 300 V), přičemž potřebná hodnota napětí je pro každou diodu (i ze stejného materiálu) různá.

6.2.1  Solární články

Pracují v hradlovém režimu fotodiody. Ik = 20÷25 mA·cm−2, 0,5÷0,55 V na článek, provozní napětí 0,45 V na článek (úbytek na vnitřním odporu). Křemíkové fotodiody – odpor přizpůsobený diodě, I = 0,15 mA·cm−2 při U = 0,45 V. Účinnosti: amorfní Si 6 až 7 %, polykrystalický 8 až 12 %, monokrystal 15 až 18 %. Spektrální charakteristika 0,9 μm, Ga 0,4 μm. Materiály Si, Ge, Se, GaAs, GaInAs, GaAlAsSb. Nesmí navlhnout → zničení. Pracovní teploty −30 ÷90 °C.

6.2.2  Fotodioda v komunikacích

Do frekvence desítek GHz. Lavinová fotodioda – zesílení 50 až 150.

6.3  Fototranzistor

Chybí vývod báze (nahrazen světlem, v pouzdře okénko). Citlivější než fotodioda (zesílení 10 až 100 ×), lavinová fotodioda ale citlivější. Ve výstupních charakteristikách figuruje místo proudu báze jako parametr dopadající zářivý výkon. Bez dopadajícího záření (za tmy) je IB = 0 a tranzistorem teče proud za tmy ICE0·h21E, který je větší než u fotodiod. Odezva jednotky až desítky μs.

Nevýhodou je nízká hodnota h21E pro malé úrovně ozáření a špatné frekvenční vlastnosti (typicky do stovek kHz).

6.4  Fototyrisotr

Přívod vláknovým kabelem nebo je v pouzdře s fotodiodou. Nesmí být ohříván.

6.5  Fotonka, fotonásobič

Založena na principu vnějšího fotoelektrického jevu (při dopadu fotonů vhodné energie dojde k vystoupení elektronů z materiálu do okolního prostředí, materiály s touto vlastností nazýváme emitéry). U fotonky jsou elektrony vystupující z emitéru přitahovány elektrodou kladně polarizovanou vůči potenciálu emitéru. Významnou vlastností fotonek je jejich rychlost (nejrychlejší dobu náběhu až 10 ps).

Pokud elektrony z vystupujícího emitéru urychlíme vnějším elektrostatickým polem, udělíme jim dostatečnou energii a soustředíme je na elektrodu pokrytou materiálem o dobré emisní schopnosti (Ag-Mg, Al-Mg, Cu-Be), dojde na této elektrodě k sekundární emisi elektronů. Elektrony mají potom nižší energii, ale jejich počet se zvětší. Na tomto principu pracují fotolelektrikcé násobiče (fotonásobiče) . Konstrukčně náročné. Užívají se tam, kde je zapotřebí extrémní zesílení (citlivost), tj. 105 až 109 a krátká doba nárůstu signálu, tj. jednotky ns.