- •Введение
- •1. Общие сведения о датчиках физических величин
- •1.1. Основные характеристики датчиков
- •1.2. Классификация датчиков
- •2. Датчики деформации
- •2.1. Принцип действия
- •2.2. Конструкции тензодатчиков и их параметры
- •2.2.1. Конструкции металлических датчиков
- •2.2.2. Конструкции полупроводниковых датчиков
- •2.2.3. Основные параметры тензорезисторов
- •2.2.4. Тензодиоды и тензотранзисторы
- •2.3. Области применения и типы датчиков
- •Контрольные вопросы
- •3. Датчики температуры
- •3.1. Принцип действия
- •3.1.1. Термопары
- •3.1.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.1.3. Термисторы
- •3.1.4. Позисторы
- •3.1.5. Измерение температуры с помощью диодов и транзисторов
- •3.2. Конструкции и параметры датчиков температуры
- •3.2.1. Термопары
- •3.2.2. Металлические термометры сопротивления
- •3.2.3. Термисторы
- •3.2.4. Позисторы
- •3.3. Области применения и типы датчиков
- •3.4. Термоанемометрический метод измерения скоростей потока газов и жидкостей
- •Контрольные вопросы
- •4. Твердотельные датчики газов
- •4.1. Принцип действия твердотельных датчиков газов
- •4.1.1. Термокондуктометрические датчики
- •4.1.2. Термохимические (каталитические) ячейки
- •4.1.3. Электрохимическая (топливная) ячейка
- •4.1.4. Полупроводниковые датчики газов
- •4.2. Конструкции и параметры датчиков
- •4.2.1. Термокондуктометрическая измерительная ячейка
- •4.2.2. Термохимическая (каталитическая) ячейка
- •4.2.3. Конструкция и параметры топливных элементов
- •4.2.4. Конструктивные и технологические особенности твердотельных датчиков газов
- •Контрольные вопросы
- •5. Датчики магнитного поля
- •5.1. Принцип действия
- •5.2. Преобразователи Холла
- •5.2.1. Технология изготовления и конструкции
- •5.2.2. Основные параметры и свойства
- •5.2.3. Применение преобразователей Холла
- •5.3. Полупроводниковые магниторезисторы
- •5.4. Магниторезисторы из ферромагнетиков
- •5.5. Магнитодиоды
- •5.6. Биполярные магнитотранзисторы
- •Контрольные вопросы
- •6. Оптические датчики
- •6.1. Принцип действия полупроводниковых приемников излучения
- •6.2. Основные характеристики фотоприемников
- •6.3. Фоторезисторы
- •6.3.1. Технология изготовления и конструкция
- •6.3.2. Характеристики и параметры
- •6.4. Фотодиоды
- •6.5. Полупроводниковые фотоэлементы
- •6.6. Фототранзисторы
- •6.7. Датчики ик-излучения
- •Контрольные вопросы
- •7. Датчики влажности
- •7.1. Единицы измерения влажности
- •7.2. Методы измерения влажности
- •7.3. Конденсационные датчики
- •7.4. Психрометрические датчики
- •7.5. Сорбционные датчики влажности
- •7.5.1. Кулонометрические датчики
- •7.5.2. Пьезосорбционные датчики
- •7.5.3. Импедансные датчики
- •Контрольные вопросы
- •8. Датчики микроэлектромеханических систем
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
6.1. Принцип действия полупроводниковых приемников излучения
В основе работы большинства фотоприемников лежит принцип внутреннего фотоэффекта или фотопроводимости. При освещении полупроводника светом из области собственного поглощения в нем происходит генерация электронно-дырочных пар, что увеличивает проводимость на величину
∆σ = q(μn∆n + μp∆p). (6.1)
В стационарных условиях концентрация неравновесных носителей равна ∆n = k∙β∙Ф∙τn, ∆p = k∙β∙Ф∙τp, где Ф – интенсивность света, k – коэффициент поглощения, β – квантовый выход, τn и τp – эффективное время жизни электронов и дырок. Тогда
∆σ = q∙k∙β∙Ф∙(μnτn + μpτp). (6.2)
Рассмотрим собственное поглощение. Если энергия кванта hν превышает ширину запрещенной зоны Eg, то коэффициент поглощения k резко увеличивается с ростом hν. Зависимость k(hν) для Ge приведена на рис. 6.1. Поглощение начинается при hν > 0,65 эВ сначала за счет непрямых переходов электронов из валентной зоны в минимум зоны проводимости в направлении [111]. При hν > 0,8 эВ начинаются прямые переходы. Это соответствует резкому росту k, так как вероятность прямых переходов выше, чем непрямых.
Рис. 6.1. Зависимость коэффициента поглощения от энергии квантов для Ge при 20 °С
Зависимость β(hν) для Ge приведена на рис. 6.2. При hν < Eg β → 0, при hν > Eg β = 1. При больших энергиях кванта (для Gе hν > 3 эВ) электрон, перешедший в зону проводимости, обладает энергией, превышающей Еg, и он может передать часть энергии электрону из валентной зоны и перевести его в зону проводимости. Возникает процесс умножения электронов, при котором β > 1.
Рис. 6.2. Зависимость квантового выхода от энергии квантов для Ge при 27 °С
В соответствии с приведенными зависимостями при hν>Eg происходит и рост фотопроводимости с увеличением энергии света (рис. 6.3).
Рис. 6.3. Спектральная характеристика фотопроводимости
Небольшая фотопроводимость при hν < Eg происходит из-за тепловых колебаний кристаллической решетки, которые приводят к флуктуации энергии электрона и величины Еg. Фотопроводимость с ростом hν достигает максимума, а затем падает. Причина заключается в уменьшении эффективного времени жизни неосновных носителей с ростом k. Эффективное время жизни неосновных носителей
= +, (6.3)
где τ0 – объемное время жизни; τs – время жизни, обусловленное рекомбинацией на поверхности.
На поверхности скорость рекомбинации выше, чем в объеме. При увеличении поглощения с ростом hν растет и поверхностная рекомбинация, что приводит к уменьшению фотопроводимости. Длинноволновый край фотопроводимости определяется из условия
λ(мкм) = 1,24/Еg(эВ). (6.4)
Зависимость фотопроводимости от интенсивности света Ф при малых интенсивностях линейна. С ростом Ф происходит изменение заполнения рекомбинационных центров, и время жизни неравновесных носителей изменяется. В зависимости от свойств рекомбинационных центров и температуры τ может как возрастать, так и убывать. Обычно время жизни убывает, поэтому рост фототока замедляется, а люкс-ампер-ная характеристика становится сублинейной – рис. 6.4.
Рис. 6.4. Зависимость фототока от интенсивности света
фоторезистора из сульфида свинца