Глава 2 (Учебник - информационные системы), страница 4

Светодиоды характеризуются:

• мощностью излучения Р (достигает 1,0 Вт);

• спектральной характеристикой излучения S(l) и ее шириной на уровне 0,5 Р - S_0,5(l) - до 50 нм;

• значением длины волны l в максимуме S(l) - 0,4 ... 1,2 мкм;

• углом направленности  - 60⁰ … 160⁰.

Направленность (Н) излучателя представляет собой свойство концентрации излучаемой мощности в относительно малом телесном угле. Диаграмма Н (рис. 2.14) характеризует зависимость мощности излучения Р от направления r (или угла ).

D(r)= Р(r)/Р(R₀).

Направление R₀ соответствует максимуму излучения P_max; оно обычно совпадает с перпендикуляром к излучающей поверхности.

При использовании полярных координат D() угол  обычно выбирают из условия, чтобы отношение Р/P_max  0,8.

По массогабаритным показателям, надежности, быстродействию и потребляемой мощности светодиоды превосходят лампы накала. Их срок службы превышает 10000 часов. Недостатки светодиодов связаны с меньшей мощностью излучения Р (здесь луч­шие - арсенид галлиевые) и ее зависимо­стью от температуры Р = Р(T⁰).

В последнее время все большее распространение получают полупроводниковые лазерные диоды (рис. 2.15).

В основе работы лазера лежит способность некоторой активной среды под действием внешнего электромагнитного излучения определенной частоты формировать когерентное монохроматическое излучение. Впервые идея инициирования самовозбуждающихся колебаний была предложена В.А. Фабрикантом и Д. Вебером в 1951 г, а реализована Д. Гордоном, Х. Цайгером и Ч. Таунсом в 1954 году.

Особенностью лазерного излучения является очень острая диаграмма Н и исключительно малый диаметр фокального пятна. (В датчиках положения он оставляет менее 0,1 мкм).

Толщина полупроводникового пакета из трех слоев не превышает 100 мкм при ширине слоя  300 мкм, а стороны пакета имеют длину 400 мкм и ширину 300 мкм. Генерация света происходит в активном слое арсенида галлия при прохождении через него тока. Резонатор образован гранями полупроводникового крис­­талла, перпендикулярными плоскости электродов. Таким образом, источником излучения является узкая полоса на боковой стороне пакета слоев.

Большинство лазерных диодов излучают свет в инфракрасном (ИК) диапазоне. Длина волны  (и, следовательно, размер фо­каль­ного пятна) зависит от содержания алюминия. Сейчас промышленно выпускают лазерные диоды с длиной волны 0,78 ... 0,63 мкм. Выходная мощность дос­ти­гает 0,003 ... 0,5 Вт, при долговечности более 100000 час.

Недостатком лазерных диодов является сравните­ль­но большие потери оптической энергии.

Д ействие приемников света основано на внутреннем фотоэффекте. В отличие от внешнего фотоэффекта, открытого Г. Гер­цем в 1887 г., здесь не происходит вылета электронов за границы материала, а лишь меняется энергетическое состояние этих электронов. В оптических сис­темах чаще всего используются фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиод пред­­ставляет собой полупроводниковый диод на базе p-n перехода или барьера металл - полупроводник, смещенного в обратном направлении (рис. 2.16). При этом обратный ток фотодиода I_ф зависит от освещенности его p-n перехода Ф.

В общем случае, если на полупроводник па­дает свет с энергией фотона Е_ф = c/ > Е_запр, то каждый поглощенный фотон порождает в нем электронно-дырочную пару. Если эта пара воз­никает в области объемного заряда обратнос­мещенного p-n перехода, то она подхватыва­ется электрическим полем, причем электрон выбрасывается в n-область, а дырка в p-область. В темноте «генера­ци­онный» или «темновой» ток оп­ределяется числом электронов и дырок, возни­кающих в области объемного заряда за счет тепловой генерации. При освещении светом с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны Е_запр ток через переход воз­рас­та­ет. Поэтому фототок во столько раз больше темнового, во сколько раз число носите­лей, создаваемых в области объемного заряда светом больше числа, возникающих при тепло­вой генерации.

При освещении выпрямляющего перехода световым потоком Ф происходит генерация из­бы­точных но­сителей и обратный ток возрастает на вели­чину  I_ф, называемую фототоком (рис. 2.17а). Ве­личи­на об­ратного смещения, прикладываемого к пере­хо­ду, составляет  10 ... 30 В. Фотодиоды изго­тавливают на основе германия и кремния и имеют линейную функ­цию преобразования.

В качестве приемников для ИК GaAs светодиодов с энергией Е_запр = 1,4 эВ используются кремниевые фотодиоды, для которых максимум спектраль­ной чувстви­тель­нос­ти приблизительно соответствует 1,4 эВ.

Р абота фототранзистора (рис. 2.18а) основана на принципе усиления фототока коллекторного p-n перехода. В этом случае можно считать, что внутри фототранзистора между его базой и коллектором включен фотодиод, вырабатывающий фо­­­­тоток I_ф, который созда­ет токи в цепях транзистора (рис. 2.18б,в):

I_к = h_21э I_ф  - в цепи коллектора;

I_э = (1 + h_21э) I_ф   - в цепи эмиттера.

Здесь h_21э - коэффициент усиления схемы с общим эмиттером.

Функцию преобразования фотоприемника можно пре­д­ставить в обобщенном виде (рис. 2.17б):

I_ф = S_ф Ф

где S_ф - светочувствительность. Световой поток Ф измеряется в люменах (Лм).

Фотоприемники характеризуются:

• с пектральной характеристикой S(l) (рис. 2.19), а также длиной волны l в ее максимуме (для германиевых l = 0,6 ... 1,0 мкм, для кремниевых - до 1,5 мкм);

• темновым током (I_т ~50 мкА);

• интегральной чувствительностью S_ф (до 100 мА/лм - для фотодиодов и до 1 А/лм - для фототранзисторов).

• быстродействием (временем спада фо­тотока) t, определяемым шириной области объемного заряда Н_оз и дрейфовой скоростью электронов и дырок V_д в этой области:

t = Н_оз /V_д = 10^-4 см/10⁷ см/с = 10^-11 с.

Оптические ЧЭ позволяют строить высо­конадеж­ные и точные датчики с разреше­нием свыше 13 двоичных разрядов (и диапазоном преобразования – более 2¹³). В таблице 2.5 приводятся сравнительные характеристики разных оптических ЧЭ. Обозначено: Ф - световой поток, S - чувствительность.

Таблица 2.5. Сравнительные характеристики оптических ЧЭ

2.1.5. Пьезоэлектрические чувствительные элементы

Пьезоэлектрические первичные преобразова­тели широко используются в акселерометрах, а также в датчиках переменной силы и давления и относятся к классу генераторных измерителей совмещенного преобразования. Частотный диапазон изме­рений составляет 10^-5 ... 10⁵ Гц.

Пьезоэлектрическим называется эф­фект поляризации анизотропного диэлектрика под дейст­вием механического напряжения или возникновения в нем механических деформаций под действием электрического поля. В первом случае говорят о прямом пьезоэффекте, во втором - об обрат­ном.

Пьезоэлектрики входят в группу сегнетоэлектриков , Х обнаруженных чехом Й. Валашеком в 1921 г и получивших свое название в честь французского аптекаря П. Сегнетта, син­те­зиро­вавшего сегнетову соль в XVII веке. Сегнетоэлектриками являются кристаллические и керамические диэлектрики, у которых в отсутствии внешнего электрического поля возникает самопроизвольная ориентация дипольных моментов частиц, входящих в состав кристаллической решетки. Эти мельчайшие области получили название доменов.

Пьезоэффект был открыт в 1880 году П. Кюри, исследовавшем кристаллы сегнетовой соли. Пер­вые пьезодатчики для измерения избыточ­­ного давления и обнару­жения подводных объектов предложил использовать П. Ланжевен во время Первой мировой войны 1914 - 1917 г.г. В 20-х годах XX века создаются пье­зоэлек­трические микрофоны, теле­фо­ны, граммофон­ные звукосниматели. В 1922 го­ду американец У. Кейди использовал пьезоэлек­три­ческий стержень для стабилизации частоты элек­трон­ного высокочастотного генератора. Первый керамиче­ский пьезоматериал (ти­та­­­­нат бария) синтезировали в 1944 году советские ученые Б. Вул и И. Голь­д­ман.

Пьезоэффект обладает знакочувствитель­нос­тью, т.е. знак заряда меняется при замене сжатия растяжением, а знак деформации - при изменении направления поля. Пьезоэлектриче­скими свойствами об­ладают многие кристалли­ческие вещества: кроме сегнетовой соли - это кварц, турмалин, ниобат лития, и др., а также искусственно создаваемые и специально поляри­зуемые в элек­трическом поле пьезокерамики: титанат бария (BaTiO₂), титанат свинца, цир­конат свинца и т.д. В пьезоэлектронных устройствах обычно используются ультра и ги­пер­звуковые волны, и электромагнитные коле­бания в частотном диапазоне 10 кГц ... 1,5 ГГц. Для них характер­на высокая стабильность параметров, например, в пьезокерамических генераторах она составляет  10⁵, а в кварцевых достигает 10⁸.

Пьезоэлектрический ЧЭ (рис. 2.20а, б) по своему устройству и принципу действия напоминает конденсатор, напряжение на обкладках которого, зависит от расстояния между ними и изменяется при любых вариациях последнего. Это обстоятельство позволяет использовать его в качестве преобразователя динамических параметров - силы, давления, вибрации.