Czujniki fotoelektryczne (nietermiczne) zwane także fotodetektorami albo detektorami fotonowymi, są elementami fotoczułymi, reagującymi na promieniowanie elektromagnetyczne. Przekształcają one energię tego promieniowania w sygnały elektryczne bezpośrednio, nie przez procesy zależne od temperatury. Podstawowymi typami detektorów fotoelektrycznych są detektory fotoprzewodzące i fotoemisyjne.
W grupie czujników fotoprzewodzących (półprzewodnikowych) znajdują się:
► fotorezystory,
► fotodiody,
► fototranzystory.
Fotoemisyjne natomiast to:
► fotokomórki,
► fotopowielacze,
► przetworniki obrazu w podczerwieni.
FOTOREZYSTORY
Fotorezystor (fotopornik) jest najprostszym typem detektora półprzewodnikowego, w którym rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania podczerwonego i nie jest uzależniona od kierunku przyłożonego napięcia. Elementy te wykonuje się najczęściej w postaci cienkich półprzewodnikowych płytek lub cienkich warstw półprzewodnikowych naparowanych w próżni lub osadzonych chemicznie na szkle. Materiał światłoczuły rozdzielony jest dwiema metalowymi elektrodami posiadającymi wyprowadzenia. Elektrody te często mają kształt grzebieniowy. Powierzchnia światłoczuła wyposażona jest w okienko umożliwiające odbiór promieniowania oraz zamknięta w obudowie, która chroni ją przed ewentualnymi uszkodzeniami. W momencie, gdy na powierzchnię fotorezystora pada promieniowanie podczerwone maleje jego opór elektryczny. Materiał półprzewodnikowy z jakiego wykonany jest dany fotorezystor decyduje o zakresie długości fal promieniowania jakie będzie mogło zostać przez element wykryte. Fotorezystory wykonuje się między innymi z: krzemu (Si), siarczku ołowiu (PbS), siarczku kadmu (CdS), selenku kadmu (CdSe), antymonku indu (InSb), ale również tellurku kadmu domieszkowanego rtęcią (CdHgTe).
Rysunek 21. Fotorezystor. Z lewej strony w postaci płytki półprzewodnikowej, a z prawej w postaci warstwy przewodnikowej napylonej na szklaną płytkę. [11]
|
MATERIAŁ
|
REZYSTANCJA [MΩ]
|
DŁUGOŚĆ FALI [μm]
|
|
krzem (Si)
siarczek ołowiu (PbS)
selenek ołowiu (PbSe)
antymonek indu (InSb)
siarczek kadmu (CdS)
|
~ 1,0
~ 0,1
~ 2,0
~ 2 • 10 – 5
1 ÷ 100
|
0,8 ÷ 1,1
1,2 ÷ 1,8
0,5 ÷ 4,5
3,6 ÷ 7,3
0,4 ÷ 0,8
|
Tabela 1. Przykładowe parametry fotorezystorów.
Fotorezystory nie należą do elementów szybko reagujących. Czas reakcji wynosi od kilku mikrosekund do nawet kilkudziesięciu milisekund. Wartość na jakiej ustali się rezystancja jest uzależniona w znacznym stopniu „przeszłości” fotorezystora. Długotrwałe oświetlenie powoduje, że na elemencie utrzymuje się większa wartość fotorezystancji niż w przypadku, gdy element znajdował się w ciemności. Wadą tych fotoelementów jest znaczna wrażliwość na temperaturę. Do zalet należy duża czułość i prosty układ pomiarowy. Fotorezystory znajdują zastosowanie w pomiarach temperaturowych, systemach ostrzegających o pożarze, do wykrywania zanieczyszczeń w zbiornikach wodnych oraz rzekach, do detekcji strat cieplnych w budynkach. Wykorzystuje się je także do badań ziemi wykonywanych z powietrza (samoloty i satelity) jak również do celów wojskowych.
Rysunek 22. Charakterystyki widmowe fotooporników. [11]
Rysunek 23. Charakterystyka prądowo – napięciowa fotorezystora. [10]
Rysunek 24. Współczesny fotorezystor. [25]
FOTODIODY
Budowa fotodiody jest zbliżona do zwykłej diody krzemowej, ale w obudowie tej pierwszej umieszczona jest soczewka wypukła bądź płaska pozwalająca na oświetlenie jednego z obszarów złącza. Materiałem użytym do ich wykonania jest krzem, selen lub arsenek galu. Czułość widmowa fotodiod krzemowych maksimum osiąga dla długości fali 700 – 900 nm, co akurat pokrywa się z maksimum promieniowania fotoemiterów, które wykonane są z arsenku galu.
Rysunek 25. Charakterystyki prądowo-napięciowe fotodiody nieoświetlonej i oświetlonej. [7]
Rysunek 26. Współczesna fotodioda. [23]
Fotodiody znajdują zastosowanie w urządzeniach komunikacji optycznej, układach służący do zdalnego sterowania oraz w rozmaitych układach pomiarowych.
Rysunek 27. Fotodiody, od góry: selenowa, krzemowa, germanowa. [11]
Rysunek 28. Fotodioda lawinowa. [11]
FOTOTRANZYSTORY
Fototranzystor to detektor charakteryzujący się czułością wielokrotnie większą w porównaniu z czułością fotodiody. Spowodowane jest to dodatkowym wzmocnieniem prądu powstającego w wyniku padającego na fotoelement promieniowania. Fototranzystory, podobnie do zwykłych tranzystorów, posiadają trzy obszary cechujące się różnymi typami przewodnictwa. Promieniowanie może być odbierane za pomocą obszaru emitera, kolektora lub bazy. Fototranzystory są szeroko stosowane w różnych układach zdalnego sterowania i automatyki, układach pomiarowych rozmaitych wielkości elektrycznych i nieelektrycznych. Używa się ich także w układach łączy optoelektronicznych, czytnikach taśm bądź kart kodowych, przetwornikach analogowo-cyfrowych.
Rysunek 29. Charakterystyki wyjściowe fototranzystora. [10]
Rysunek 30. Fototranzystor pracujący w paśmie promieniowania podczerwonego. [24]
FOTOKOMÓRKI
Fotokomórka jest rodzajem lamy elektronowej, ten detektor promieniowania wykonany w postaci fotodiody próżniowej. Fotokomórka (fotodioda próżniowa) posiada dwie elektrody. Jedną z nich jest katoda (fotokatoda), która emituje elektrony pod wpływem padającego na nią promieniowania. Fotokatodą jest zwykle blaszka metalowa umieszczona wewnątrz szklanej bańki i pokryta materiałem tworzącym fotokatodę. Może też być bezpośrednio napylona na wewnętrzną powierzchnię bańki. Druga z elektrod – anoda wykonana jest w postaci cienkiego pręta bądź pętli z drutu i powinna być możliwie mała, aby nie przesłaniała fotokatody. Gdy fotokomórka nie jest oświetlona wówczas nie przewodzi ona prądu. W momencie, gdy katoda zostanie oświetlona zaczyna płynąć prąd. Zaletą fotokomórki jest bardzo krótki czas reakcji rzędu nanosekund. Fotokomórki są wykorzystywane w badaniach naukowych, służą do pomiarów światła emitowanego przez różne cząsteczki oraz substancje. Znajdują zastosowanie w urządzeniach kontrolnych i licznikach np. przesuwających się przedmiotów na taśmach produkcyjnych w fabrykach. Są również elementem systemów alarmowych i przeciwwłamaniowych, w przypadku przerwania promienia światła padającego na fotokomórkę uruchamia się alarm.
Rysunek 31. Para fotokomórek współczesnych. [25]
FOTOPOWIELACZE
Fotopowielacz jest odmianą lampy próżniowej, ten detektor stanowi rozwinięcie fotodiody próżniowej. Zbudowany jest z podłużnej bańki próżniowej wewnątrz której znajdują się anoda i katoda, podobnie jak w fotodiodzie. Pomiędzy elektrodami znajduje się jednak powielacz elektronów zawierający co najmniej jeden stopień wzmacniający. Elektroda powielająca znajdująca się w powielaczach nazywana jest dynodą. Elektron wyemitowany z fotokatody pada w pierwszej kolejności na dynodę, gdzie wybijane są elektrony wtórne które następnie przyciąga kolejna dynoda bądź anoda. Typowe lampy są tak skonstruowane, że pojedyncza dynoda generuje trzy lub czterokrotne powielenie, a ilość stopni powielających może wynieść od kilku do kilkunastu. Dzięki temu w fotopowielaczach możliwe jest osiągnięcie nawet bardzo dużych czułości.
Rysunek 32. Schemat działania fotopowielacza. [26]
Fotopowielacze przystosowane do detekcji posiadają często fotokatodę wykonaną z tlenku srebra i cezu (AgOCs). Charakteryzują się bardzo dużą szybkością działania z czasem reakcji rzędu kilkudziesięciu nanosekund. Jedną z istotniejszych wad fotopowielaczy jest konieczność zapewnienia wysokich napięć zasilających, już pojedyncza dynoda wymaga około 150V, więc cały fotopowielacz potrzebuje nawet do kilku kV. Napięcia zasilające fotopowielacza mają znaczny wpływ jego wzmocnienie, więc zmieniając napięcie można regulować wzmocnienie fotoelementu. Fotopowielacze znajdują szerokie zastosowanie w aparaturze pomiarowej bądź w spektometrii.
Rysunek 33. Czułość spektralna fotokatody As-O-Cs. [3]
Rysunek. 34. Fotopowielacz. [27]
PRZETWORNIKI OBRAZU W PODCZERWIENI
Przetworniki obrazu służą do przetwarzania obrazu widzialnego na ekranie fluorescencyjnym. Skupia on promieniowanie podczerwone, które przepuszczane jest przez fotokatodę wykonaną z arsenku galu (GaAs). Elektrony przepuszczone zostają przyspieszone różnicą potencjałów (napięcia rzędu kV), następnie zostają zoogniskowane przez soczewkę i skierowane na ekran elektroluminescencyjny fosforowy. Tak oto podczerwień zostaje przetworzona na światło widzialne. Schemat takiego przetwornika został przedstawiony na rysunku 36, natomiast rysunek 35 pokazuje parę takich przetworników w praktycznym zastosowaniu.
Rysunek 35. Para podczerwonych przetworników obrazu noktowizora PNW-57A. Widoczne gumowe pokrywki zabezpieczające przed padającym światłem.
Przetworniki podczerwone są stosowane w wielu urządzeniach także wojskowych. W oparciu o takie przetworniki powstały i powstają nadal: lornetki podczerwone, przyrządy celownicze do broni, noktowizory , peryskopy i teleskopy.
Rysunek 36. Schemat podczerwonego przetwornika obrazu. [11]
