Что такое фоточувствительные элементы. Как работают основные виды фотоприемников. Где применяются фоточувствительные устройства в современной технике и электронике. Каковы перспективы развития фотоприемников.
Что такое фоточувствительные элементы и для чего они нужны
Фоточувствительные элементы (фотоприемники) — это устройства, которые преобразуют энергию оптического излучения в другие виды энергии, чаще всего в электрическую. Они позволяют регистрировать и измерять параметры оптического излучения.
Основные функции фоточувствительных элементов:
- Обнаружение наличия или отсутствия оптического излучения
- Измерение интенсивности излучения
- Преобразование оптического сигнала в электрический
- Регистрация пространственного распределения излучения
Фотоприемники широко применяются в различных областях науки и техники — от бытовой электроники до космических аппаратов. Они являются ключевым элементом многих оптоэлектронных систем.
Основные виды фоточувствительных элементов
Существует несколько основных типов фотоприемников, различающихся по принципу действия:
Фоторезисторы
Фоторезисторы изменяют свое электрическое сопротивление под действием света. Их работа основана на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках.
Фотодиоды
Фотодиоды преобразуют световой поток в электрический ток. Они имеют p-n переход, на котором под действием света генерируются носители заряда.
Фототранзисторы
Фототранзисторы объединяют свойства фотодиода и транзистора. Они обеспечивают высокую чувствительность и усиление фототока.
Фотоэлектронные умножители (ФЭУ)
ФЭУ используют явление вторичной электронной эмиссии для многократного усиления фототока. Они обладают очень высокой чувствительностью.
ПЗС-матрицы
ПЗС-матрицы состоят из множества светочувствительных элементов и позволяют получать двумерное изображение объекта. Широко применяются в цифровых камерах.
Принцип работы фоточувствительных элементов
Рассмотрим более подробно принцип работы основных типов фотоприемников:
Как работает фоторезистор
Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого уменьшается при освещении. Принцип его работы основан на внутреннем фотоэффекте:
- Под действием света в полупроводнике образуются дополнительные свободные носители заряда — электроны и дырки
- Это приводит к увеличению электропроводности полупроводника
- В результате сопротивление фоторезистора уменьшается
Чем интенсивнее освещение, тем ниже сопротивление фоторезистора. Это позволяет использовать его для измерения интенсивности света.
Принцип действия фотодиода
Фотодиод основан на внутреннем фотоэффекте в области p-n перехода:
- Фотоны света, попадая в обедненную область p-n перехода, генерируют электронно-дырочные пары
- Под действием электрического поля перехода электроны и дырки разделяются
- Возникает фототок, пропорциональный интенсивности падающего света
Фотодиоды могут работать в фотогальваническом режиме (без внешнего напряжения) или в фотодиодном режиме (с обратным смещением).
Как работает фототранзистор
Фототранзистор совмещает функции фотодиода и усилительного транзистора:
- Световой поток создает фототок в области база-коллектор
- Этот фототок усиливается транзисторной структурой
- На выходе формируется усиленный фототок коллектора
Благодаря внутреннему усилению фототранзисторы имеют более высокую чувствительность по сравнению с фотодиодами.
Применение фоточувствительных элементов
Фотоприемники широко используются в различных областях науки и техники:
Измерительная техника
- Фотометры
- Спектрометры
- Датчики освещенности
Системы автоматики
- Датчики присутствия
- Счетчики предметов
- Системы сортировки
Оптическая связь
- Приемники в волоконно-оптических линиях связи
- Инфракрасные приемопередатчики
Бытовая электроника
- Фотокамеры и видеокамеры
- Сканеры
- Датчики в смартфонах
Научное оборудование
- Телескопы
- Спектрографы
- Детекторы частиц
Области применения фотоприемников постоянно расширяются по мере развития оптоэлектроники и фотоники.
Современные тенденции в развитии фоточувствительных элементов
Основные направления совершенствования фотоприемников:
- Повышение чувствительности и быстродействия
- Расширение спектрального диапазона
- Уменьшение размеров и энергопотребления
- Интеграция с электронными схемами обработки сигнала
- Создание многоэлементных фотоприемных устройств
Перспективные разработки включают:
- Фотоприемники на основе квантовых точек
- Графеновые фотодетекторы
- Однофотонные детекторы для квантовых коммуникаций
- Гибкие и прозрачные фотоприемники
Совершенствование фоточувствительных элементов открывает новые возможности для развития оптоэлектронных систем и технологий.
Заключение
Фоточувствительные элементы играют важнейшую роль в современной электронике и оптических системах. Они позволяют преобразовывать световые сигналы в электрические, что необходимо для регистрации и обработки оптической информации. Развитие технологий фотоприемников продолжается, что способствует появлению новых применений в науке, промышленности и бытовой технике.
НОУ ИНТУИТ | Лекция | Сенсоры на полевых транзисторах и на приборах с отрицательной ВАХ. Газоразрядные сенсоры
< Лекция 9 || Лекция 10: 12345 || Лекция 11 >
Аннотация: Описаны устройство и физика работы полевых транзисторов, их применение в черно-белых и цветных светочувствительных КМДП-матрицах. Объяснены физические основы работы приборов с отрицательными участками ВАХ и газоразрядных сенсоров для измерения температуры, радиоактивных излучений и т. д.
Ключевые слова: полевой транзистор, МДП (МОП) транзистор, МДП, моп транзистор, КМДП светочувствительная матрица, фотодиод, чувствительный элемент, пиксель, электрическая схема, цветная светочувствительная КМДП матрица, микрокомпьютер, высокая технология, камера видеонаблюдения, целый, полупроводниковые элементы, туннельный диод, тиристор, граница раздела, фототиристор, электрический сигнал, Z-резистор, ионизационная газовая камера, пропорциональный счетчик, счетчик Гейгера-Мюллера, счетчик, сенсор, поле, акустические волны
intuit.ru/2010/edi»>Цель лекции: ознакомить слушателей с устройством, принципами работы и возможностями современных сенсоров на КМДП(КМОП)-транзисторах, в частности, с таким достижением современной технологии, как высокоразрешающие быстродействующие светочувствительные матрицы для восприятия черно-белых и цветных изображений. Продемонстрировать возможности использования для целей сенсорики приборов с отрицательными участками ВАХ и газоразрядных приборов.10.1. Cенсоры на полевых транзисторах
10.1.1. Структура и физика работы полевого транзистора
Типичная структура полевого транзистора с изолированным затвором показана на рис. 10.1. Над промежутком между двумя областями -типа, сформированными возле поверхности пластины кремния -типа, создан тонкий (~ 0,1 мкм) слой диэлектрика (нитрида или окисла кремния), на который нанесен металлический электрод вентиля. Остальная поверхность кремния защищена толстым слоем окисла кремния .
На нем сформированы металлические электроды, которые через окна в окисле контактируют с -областями. В процессе работы одну из -областей соединяют с положительным полюсом источника напряжения. Ее называют «истоком». Другую -область соединяют с отрицательным полюсом и называют «стоком».Рис. 10.1. Типичная МДП структура полевого транзистора
Когда в тонком слое диэлектрика электрическое поле отсутствует, ток между истоком и стоком практически равен нулю из-за наличия -перехода, смещенного в обратном направлении. Электрод вентиля, тонкий слой диэлектрика и кремний -типа в вертикальном разрезе образуют
Если на электроде вентиля появляются положительные электрические заряды, то в тонком слое диэлектрика и в приповерхностной области кремния возникает электрическое поле. Имеющиеся в кремнии свободные электроны проводимости, под действием этого поля притягиваются к диэлектрику, изменяя объемный электрический заряд приповерхностной области. Если напряжение на МДП структуре достигает определенного порогового уровня, то происходит инверсия электропроводности кремния в приповерхностной области, и здесь формируется тонкий канал -типа проводимости. Его называют «индуцированным» каналом. Через этот канал от истока к стоку может протекать электрический ток: МДП транзистор «открывается». При дальнейшем возрастании напряжения на МДП структуре канал расширяется, его сопротивление уменьшается, и электрический ток между истоком и стоком возрастает. Металлический электрод этой структуры именно потому и называют «вентилем» или «затвором», что с его помощью, используя совсем незначительную мощность, можно управлять намного более мощным электрическим током от истока к стоку.
Если тонкий слой диэлектрика в структуре полевого транзистора выполнен из окисла, то структуру «металл–окисел–полупроводник» сокращенно называют МОП структурой, а соответствующий транзистор – МОП транзистором.
МДП транзисторы вышеописанной структуры называют -канальными. На поверхности полупроводника -типа можно создать аналогичную структуру, сформировав приповерхностные области -типа. Образовавшийся полевой транзистор будет -канальным.
Одна из наиболее широко применяемых сейчас технологий изготовления микросхем позволяет одновременно формировать на поверхности кремния как -канальные, так и -канальные транзисторы. Такую технологию называют , где буква «К» является сокращением от слова «комплементарный» (взаимодополняющий). Микросхемы, образованные из комплементарных -канальных и -канальных транзисторов, оказались удивительно экономичными. С их помощью удалось совместить малое потребление мощности с высоким быстродействием и с очень малыми размерами элементов. А это позволило создавать СБИС (сверхбольшие интегральные схемы) с уровнем интеграции порядка миллиона элементов на одном кристалле.
Из описанной выше физики работы полевого транзистора видно, что его можно использовать как элемент, чувствительный к изменениям электрического заряда или потенциала на вентильном электроде (затворе). А эти последние могут быть обусловлены влиянием разнообразных внешних факторов, которые следует контролировать. Это могут быть, например, химические изменения в веществе, нанесенном на вентильный электрод, или изменения электрохимического потенциала, которые мы рассмотрим дальше.
10.1.2. МДП фоточувствительный элемент
Если на поверхности кремния рядом или над МДП транзистором сформировать фотодиод, то образуется транзисторная структура, чувствительная к внешнему свету. Чаще всего ее используют по схеме, показанной на рис. 10.2.
Рис. 10.2. Схема функционирования фоточувствительного элемента из фотодиода и МДП транзистора
10.1.3. Матрица фоточувствительных элементов
Из таких фоточувствительных элементов на поверхности кремния можно сформировать целую матрицу. Для того, чтобы поочередно считывать из фоточувствительных элементов информацию о полученной ими световой экспозиции, надо в каждый из них встроить еще транзисторный ключ. Тогда можно организовать процесс поочередного считывания информации во времени, открывая ключ лишь в нужный момент, когда очередь подошла к данному чувствительному элементу. КМДП технология позволяет сформировать требуемые ключи тоже в виде МДП транзисторов. Таким образом, каждый элемент простейшей светочувствительной КМДП матрицы для восприятия черно-белых изображений состоит из одного фотодиода и двух МДП транзисторов ( рис. 10.3). МДП транзистор, к затвору которого присоединен фотодиод, мы будем называть «чувствительным»
Рис. 10.3. Схема организации считывания информации с простейшей черно-белой светочувствительной МДП матрицы
Отдельные ячейки светочувствительной матрицы на рис. 10.3 выделены штриховыми прямоугольными рамками. У левой верхней ячейки выводы пронумерованы. Выводы 1 всех элементов соединяются с коммутатором режима, который для упрощения на рис. 10.3 не показан. Выводы 2 всех элементов в строке матрицы соединяются с горизонтальной шиной, подключенной к соответствующему выходу коммутатора строк. Выводы 3 всех элементов соединены с общим «видеовыходом» матрицы. Он тоже на рис. 10.3 не показан. Выводы 4 всех элементов, расположенных в одном и том же столбце матрицы, соединены с соответствующей вертикальной шиной, подключенной к соответствующему выходу коммутатора элементов в строке.
Функционирует схема так. В самом начале коммутатор режима работы подает на аноды всех фотодиодов напряжение . Это – режим подготовки к экспозиции, в ходе которого на затворах МДП транзисторов накапливается положительный электрический заряд. В режиме экспозиции этот коммутатор перемыкает аноды фотодиодов на «землю». На матрицу с помощью высококачественного объектива проецируют изображение, которое надо воспринять и преобразовать в информационный видеосигнал. Под действием света в фотодиодах протекает ток, и часть электрического заряда стекает на «землю». Когда заканчивается время экспозиции, коммутатор отсоединяет аноды фотодиодов от «земли», и ток через изолированные фотодиоды прекращается, даже если на них продолжает действовать свет.
В режиме считывания видеосигнала коммутатор строк подает положительный импульс напряжения на истоки чувствительных МДП транзисторов первой строки матрицы, а коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения сначала на свой первый выход. Вследствие этого ключевые МДП транзисторы 1-го столбца матрицы (С1) приоткрываются. На видеовыход матрицы при этом может вытекать ток считывания лишь с 1-го элемента 1-й строки. В следующем такте коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения на свой 2-й выход, вследствие чего ключевые МДП транзисторы 1-го столбца матрицы закрываются, а во 2-м столбце (С2) открываются. На видеовыход матрицы теперь вытекает ток считывания лишь со 2-го элемента 1-й строки. В следующих тактах аналогично «снимаются» токи считывания последовательно с 3-го, 4-го и т.д. элементов 1-й строки. После того как «снят» ток считывания с последнего элемента 1-й строки, коммутатор строк подает положительный импульс напряжения на истоки чувствительных МДП транзисторов 2-й строки матрицы, а коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения снова на 1-й свой выход. На видеовыход матрицы вытекает ток считывания с 1-го элемента 2-й строки. В следующих тактах коммутатор элементов в строке подает положительный импульс напряжения поочередно на все свои выходы, вследствие чего считывается информация со всей 2-й строки матрицы. И так строка за строкой считывается информация обо всем изображении.
На этом примере Вы можете видеть, как именно наблюдаемое состояние контролируемого объекта преобразуется в сложный информационный сигнал. Ничего таинственного в этом нет. Реальный объект сначала с помощью фотообъектива проецируется в изображение на матрице чувствительных элементов. А цепочка определенным образом организованных электрических процессов приводит к выработке соответствующим способом организованной последовательности электрических сигналов, однозначно описывающей это изображение и позволяющей восстановить его на экране монитора.
Дальше >>
< Лекция 9 || Лекция 10: 12345 || Лекция 11 >
404 Not Found
Поиск по сайту Авторизация
|
|
Вращательно перестраиваемый двухлучевой интерферометр с фиксированным фоточувствительным элементом.
Часть II. Интерферометр на основе светоделительного блокаВращательно перестраиваемый двухлучевой интерферометр с фиксированным фоточувствительным элементом. Часть II. Интерферометр на основе светоделительного блока
- Угожаев В.Д.
Аннотация
Рассмотрен перестраиваемый по углу схождения пересекающихся световых лучей двухлучевой интерферометр с неподвижными зеркалами и неподвижным фоточувствительным элементом. В основе светочувствительного элемента лежит симметричный светоделительный узел, в котором перестройка периода интерференционной картины обеспечивается только одним видом движения: вращением интерферометра относительно неподвижного источника коллимированного светового луча. Показано, что таким образом можно управлять периодом при углах схождения от 30 до 180° для пучков диаметром 10% и более длины блока светоделителя. В этой области наибольшая ширина диапазона перестройки угла схождения может превышать 40°, а допустимый диаметр луча приближается к 40% длины светоделительного узла. Проведены сравнения с аналогичным интерферометром на основе светоделительного куба и определены возможные области применения рассматриваемого интерферометра.
- Публикация:
Оптоэлектроника, приборостроение и обработка данных
- Дата публикации:
- июль 2018 г.
- DOI:
- 10.3103/С8756694009С
- Биб-код:
- 2018ОИДП. ..54..375У
- Ключевые слова:
- двухлучевой интерферометр;
- симметричный светоделительный блок;
- неподвижных зеркал;
- неподвижный светочувствительный элемент;
- поворотная настройка угла схождения;
- голографическая дифракционная решетка
Светочувствительные элементы — ВикиЛекции
Товар для проверки
Запрошена проверка этой статьи. Рекомендуемый рецензент: Кармелькаруана |
Содержимое
- 1 Retina (Intro)
- 2 Стержневая ячейка
- 2.1 Структура
- 2.2 Функция
- 3 Конусная ячейка
- 3.1 Типы
- 3.2 Структура
- 3.3 Функция
- 4 Связанные заболевания и клиническое значение
- 5 Каталожные номера
Нормализованные спектры чувствительности палочек и колбочек человека типов S , M и L .
Основной структурой глаза, которая в конечном итоге отвечает за восприятие света у человека, является сетчатка (от латинского rete , что означает « net »). Это светочувствительный слой ткани, расположенный в виде тонкой линии на внутренней поверхности глаза. Когда свет достигает сетчатки, электрические и химические явления запускают нервные импульсы, которые посылаются в многочисленные зрительные центры мозга через зрительный нерв. В частности, сетчатка содержит сложную нейронную схему, которая преобразует градуированную электрическую активность фоторецепторов в потенциалы действия, которые передаются в мозг через аксоны в зрительном нерве. Это означает, что сетчатка является мозговой тканью и, таким образом, является непосредственно частью ЦНС (центральной нервной системы).
Клетка сетчатки, специализирующаяся на восприятии света, а точнее на фототрансдукции, называется «фоторецепторной клеткой». Его значение заключается в том, что он преобразует видимый свет в электрические сигналы, которые можно анализировать биологически, поглощая фотоны и вызывая изменение мембранного потенциала фоторецепторной клетки. Два типа фоторецепторов — «колбочки» и «палочки». Каждая из этих клеток способствует зрительному зрению. Хотя каждая из этих клеток имеет свои различия в структуре и специфических функциях, их химический процесс фототрансдукции является общим. 96 у человека и расположены на внешних краях сетчатки.
Структура[править | править код]
Палочки имеют удлиненную структуру и состоят из трех отдельных областей: внешнего сегмента, внутреннего сегмента и синаптической области. Внешний сегмент содержит аппарат фототрансдукции. Он состоит из ряда плотно упакованных мембранных дисков, содержащих молекулу фоторецептора родопсин (производное витамина А). Внутренний сегмент содержит органеллы и ядро клетки. Синаптическая область — это место, где палочка передает информацию промежуточным нейронам сетчатки. Эти нейроны соединяются с биполярными клетками и ганглиозными нейронами, аксоны которых образуют примерно один миллион волокон зрительного нерва.
Функция[править | править источник]
При стимуляции, например, в темноте, палочки деполяризуются и спонтанно выделяют нейротрансмиттер. Этот гиперполяризует биполярную клетку, которая существует между фоторецепторами и ганглиозными клетками и действует для передачи сигналов от фоторецепторов к ганглиозным клеткам. В результате того, что биполярная клетка гиперполяризована, она не высвобождает свой медиатор в синапсе биполярного ганглия, и синапс не возбуждается. Когда свет попадает на фоторецептивные пигменты внутри фоторецепторной клетки, пигмент, называемый родопсином, активируется в результате ряда химических реакций. Это приводит к массивной реакции в клетке, потому что сигнал усиливается. После активации родопсин может активировать сотни молекул трансдуцина, каждая из которых, в свою очередь, активирует молекулу фосфодиэстеразы, которая может разрушать более тысячи молекул цГМФ в секунду. Таким образом, палочки имеют большую реакцию на небольшое количество света.
Структура конусной ячейки.
Типы[править | править код]
Колбочки далее подразделяются на 3 типа клеток колбочек, каждый тип реагирует на видимый свет с разными длинами волн в электромагнитном спектре. Первый тип колбочек, колбочки L (длинные), реагируют на свет длинных волн с пиком красного цвета. Более конкретно, около 570 нм. Во-вторых, пик колбочек M (средний) между 534-545 нм, зеленый цвет. Третий тип, отвечающий за наибольшую реакцию на коротковолновый свет, — это S (Короткие) конусы; они наиболее чувствительны к свету с длиной волны около 440 нм, что соответствует длине волны синего цвета. Из-за цветовых различий эти разные виды колбочек часто называют в соответствии с их соответствующими цветами, на которые они реагируют (например, «синие» колбочки). Согласно современным представлениям, у человека существует от 6 до 7 миллионов колбочек. Это число примерно разделено следующим образом: L -колбочки составляют 64%, M -колбочки 32% и S -колбочки 2%.
Структура[править | править источник]
В теории относительности клетки колбочек несколько короче клеток палочек, но структурно они шире. Количественно их также значительно меньше, чем палочковидных клеток, в большинстве участков сетчатки. Однако в области центральной ямки количество колбочек значительно превышает количество палочек. Что касается структуры и данного имени клетки, колбочки имеют форму конуса на одном конце клетки, где пигмент фильтрует весь входящий свет, предлагая им различные кривые отклика. В длину конусы обычно составляют 40-50 мкм, а их диаметр составляет 0,5-4,0 мкм. Как упоминалось ранее, процент каждого типа колбочек ( S , M и L ) сильно варьируется от человека к человеку, при условии, что субъекты имеют нормальное зрение. Каждая колбочка имеет синаптическое окончание, внутренний сегмент и внешний сегмент, а также внутреннее ядро и различные митохондрии, содержащиеся в клетке; эти свойства являются общими для палочек и колбочек. Внутренний сегмент клетки содержит все органоиды клетки, а также ядро клетки. С другой стороны, внешний сегмент направлен к задней части глаза и содержит светопоглощающие материалы. Наружный и внутренний сегменты соединены ресничкой. Ни палочки, ни колбочки не склонны к нормальному делению, но их мембранные диски во внешних сегментах (видны на диаграмме) изнашиваются и, таким образом, регулярно потребляются и рециркулируются фагоцитами.
Функция[править | править источник]
В основном, фоторецептор представляет собой форму нейрона, обнаруженную в сетчатке глаза, которая способна к фототрансдукции. Колбочки являются фоторецепторами, в основном специализированными для процесса высокой остроты зрения и восприятия цвета. В отличие от палочек, колбочкам требуется очень яркий свет (то есть большое количество фотонов), чтобы преобразовать его в биологически доступный сигнал. Колбочки менее чувствительны к свету, чем палочки. Как упоминалось ранее, существуют три типа колбочек: S -конусы, M -конусы и L -конусы. Каждый из них отличается своим характером реакции на разные длины волн света. Эти различия в сигналах, полученных тремя разными типами колбочек, позволяют человеческому мозгу воспринимать непрерывный спектр цветов. Подобно всем типичным нейронам, колбочки срабатывают, чтобы произвести электрический импульс на нервном волокне. После этого события они должны снова перезапустить себя, чтобы стрелять. Считается, что световая адаптация происходит за счет регулировки этого времени сброса клетки.
Связанные заболевания и клиническое значение[править | править источник]
Есть некоторые заболевания, которые поражают саму сетчатку и определенные структуры, которые были описаны ранее.