Меню

Охлаждаемые фоторезисторы

Да, бывают и такие. Понятное дело, что встретить охлаждаемый фоторезистор в быту – это, сравни фантастике, но не сказать о них пару слов было бы несправедливо.

Сразу же возникает вопрос, а зачем охлаждать фоторезистор? Дело в том, что при охлаждении фоточувствительного элемента достигается значительное улучшение его характеристик.

Происходит это за счёт снижения тепловой генерации равновесных носителей тока и сужения ширины запрещённой зоны. Такое вот научное обоснование.

Фоточувствительные материалы охлаждаемых фоторезисторов.

Основой фоточувствительного элемента охлаждаемых фоторезисторов являются полупроводниковые фоточувствительные материалы на базе соединений:

  • Свинца (Сульфид свинца – PbS, Селенид свинца – PbSe);

  • Индия (Антимонид индия – InSb);

  • Германия (Ge), легированного примесями золота (Ge : Au), ртути (Ge : Hg), цинка (Ge : Zn) или меди (Ge : Cu).

  • В современных фотоприёмных устройствах (ФПУ) для работы в ИК-диапазоне широко используется соединение кадмий-ртуть-теллур (HgCdTe, – сплав из HgTe и CdTe).

Все эти полупроводниковые соединения применяются в фоторезисторах, реагирующих на инфракрасное излучение (ИК-диапазон), видимое человеческим глазом лишь частично.

Этим они отличаются от фоторезисторов на основе сульфида и селенида кадмия (CdS, CdSe), которые используются для регистрации видимого света.

Как правило, фоточувствительный элемент фоторезистора представляет собой пластинку, кубик или параллелепипед. Их размер невелик и составляет несколько миллиметров. Контакты на поверхности чувствительного элемента выполняются из золота и наносятся путём испарения в вакууме или электролитически.

Кроме этого чувствительный к излучению элемент может быть выполнен в виде тонкой плёнки.

Для охлаждения фоточувствительного элемента используются следующие хладагенты:

  • Фреоны (263...145 K) (-10,15...-128,15°C);

  • Твёрдая углекислота (195 K) (-78,15°C);

  • Жидкий или газообразный азот (77 K) (-196,15°C);

  • Жидкий неон (27 K) (-246,15°C);

  • Жидкий (газообразный) водород (20 K) (-253,15°C);

  • Жидкий гелий (4,2 K) (-268,95°C).

Естественно, чтобы эффективно охладить фоторезистор данными хладагентами, он должен иметь подходящую для этого конструкцию.

Конструкция охлаждаемых фоторезисторов.

Необходимость охлаждения фоточувствительного элемента (ф. ч. э.) фоторезистора требует помещения его в контейнер с низкой теплопотерей. В качестве такого контейнера применяется сосуд Дьюара. На следующем изображении показана общая конструкция фоторезистора, охлаждаемого жидким хладагентом, где сосуд Дьюара отмечен цифрой 3.

Конструкция фоторезистора с охлаждением жидким азотом
Схематичное изображение конструкции фоторезистора, охлаждаемого жидким азотом

В классической реализации сосуд Дьюара представляет собой колбу из стекла с двойными стенками. Из пространства между стенками такого сосуда выкачан воздух. Температура в сосуде Дьюара поддерживается пассивным методом.

На дно внутреннего стакана такого сосуда устанавливается фоточувствительный элемент фоторезистора (2), а проволочные выводы (5) от него выводятся наружу. Напротив фоточувствительного элемента имеется входное окно (1), через которое проникает поток излучения. Как правило, окно изготавливается из просветлённого германия, кремния или лейкосапфира.

Хладагент (углекислота или жидкий азот) подаётся во внутреннюю полость сосуда Дьюара (4).

При использовании в качестве хладагента водорода, неона или жидкого гелия, конструкция сосуда дополняется ещё одной полостью. Её схематическое строение показано на следующем рисунке.

Конструкция фоторезистора с охлаждением жидким гелием или неоном
Схематичное изображение конструкции фоторезистора, охлаждаемого жидким гелием или неоном

Дополнительная полость (4), наполняется жидким азотом. Он способствует замедлению испарения (выкипания) основного хладагента (гелия, водорода или неона), находящегося в основной внутренней полости (7).

Показанные конструкции охлаждаемых фоторезисторов относятся к заливным и применяются в стационарных условиях, поскольку требуют подачи жидкого хладагента. Наиболее часто в таких приборах используется жидкий азот с температурой кипения 77,4 Кельвин (-195,75° по Цельсию).

Жидким азотом охлаждаются такие фоторезисторы, как ФР-199, ФСВ-18АА, ФСВ-19А. Внешне они имеют вид ранее описанной конструкции заливного охлаждаемого фоторезистора.

Внешний вид и размеры охлаждаемых фоторезисторов ФР-199, ФСВ-18АА, ФСВ-19АА
Внешний вид и габаритные размеры охлаждаемых фоторезисторов ФР-199, ФСВ-18АА, ФСВ-19АА.

Также может применяться конструкция, в которой для охлаждения фоточувствительного элемента применяется сжатый газ. Она более удобна, поскольку сжатый до давления 150...350 атм (atm) газ хранится в специальных баллонах. Устройство такого фоторезистора показано на следующем рисунке.

Конструкция фоторезистора с охлаждением сжатым газом
Схематичное изображение конструкции фоторезистора, охлаждаемого сжатым газом

Принцип охлаждения следующий. Внутрь полости сосуда Дьюара помещён змеевик (6), который является микрохолодильником. Змеевик заканчивается дюзой (соплом) малого диаметра. Сжатый газ поступает в змеевик и при выходе из него через сопло резко увеличивает свой объём. При этом за счёт затрат на расширение газа происходит понижение его температуры. Данное явление вызвано адиабатическим (адиабатным) процессом.

В результате поглощения тепла, область, примыкающая к выходу змеевика и внутренняя полость сосуда Дьюара, охлаждается до температуры сжиженного газа. При этом охлаждается и сам фоточувствительный элемент фоторезистора.

Через специальные отверстия в змеевике отработанный газ удаляется наружу и может быть направлен в баллон при использовании замкнутой системы.

Охлаждаемая диафрагма (8) формирует апертурный угол.

Особенностью охлаждаемых фоторезисторов является то, что их нельзя включать в электрическую цепь без предварительного охлаждения. К тому же для выхода на рабочий режим они требуют некоторого времени (от 1...10 минут до 30), а время непрерывной работы на однократной заливке хладагентом составляет 1,5 - 2, а для некоторых изделий 4 часа.

Примером охлаждаемого фоторезистора может служить ФСГ-22-3А1. Он представляет собой вакуумный фотоэлектрический полупроводниковый прибор. Внешний вид и основные элементы его конструкции показаны на изображении.

Основные элементы конструкции охлаждаемого фоторезистора ФСГ-22-3А1

Как видим, фоторезистор имеет заливную конструкцию в виде стеклянного сосуда Дьюара без защитного металлического корпуса. В качестве хладагента используется жидкий азот, с помощью которого ф. ч. э. охлаждается до рабочей температуры в 80°K (-193,15°C). Входное окно выполнено из просветлённого германия (ФСГ-22-3А1, ФСГ-22-3А2) или кремния (ФСГ-23-3А1, ФСГ-23-3А2).

Внешний вид и размеры охлаждаемых фоторезисторов ФСГ-22-3А1/ФСГ-22-3А2/ФСГ-23-3А1/ФСГ-23-3А2
Внешний вид и габаритные размеры охлаждаемых фоторезисторов ФСГ-22-3А1, ФСГ-22-3А2, ФСГ-23-3А1, ФСГ-23-3А2.

Данный охлаждаемый фоторезистор служит в качестве приёмника инфракрасного излучения в диапазоне длин волн от 1,8 до 8,5 мкм (Δλ) с пиком чувствительности (λмакс.) в области 5,6...6,2 мкм.

Предназначен для использования в тепловизионной аппаратуре, радиометрах промышленного, научного и медицинского назначения.

Охлаждение с помощью хладагентов не единственный метод, который применяется в конструкции фоторезисторов. Помимо него используется охлаждение с помощью термоэлектрических микроохладителей (ТЭО), работа которых основана на эффекте Пельтье (элемент Пельтье).

Примером фоторезисторов с охлаждением с помощью ТЭО являются ФР-1-1/13 и УФУР02. Помимо микроохладителя в корпус данных фоторезисторов встроен термодатчик для контроля температуры фоточувствительного элемента.

Внешний вид, габаритные размеры и спектральная характеристика фоторезистора ФР1-1/13
Внешний вид, габаритные размеры и спектральная характеристика охлаждаемого фоторезистора ФР1-1/13

При помощи термоэлектрических охладителей удаётся понизить температуру фоточувствительного элемента лишь на 30 – 40 К по отношению к окружающей. Поэтому, рабочая температура фоторезисторов, охлаждаемых термоэлектрически находится в диапазоне 230...300 К (-43,15...+26,25°C). Низкая холодопроизводительность является существенным недостатком таких приборов, но зато фоторезисторы с термоэлектрическими охладителями имеют высокую надёжность и возможность работы в непрерывном режиме.

Цель представленного материала, – познакомить читателя с охлаждаемыми фоторезисторами, которые имеют достаточно простое, базовое устройство и конструкцию.

Но, существует огромное множество изделий фотоприёмных устройств (ФПУ), которые состоят не из одного фоточувствительного элемента, а целого их набора, снабжены многокаскадными термоэлектрическими охладителями, встроенными датчиками температуры и интегральными схемами обработки сигналов.

Наиболее передовые состоят из гибридного фотоприёмного узла, состоящего из матрицы фоточувствительных элементов, совмещённой с кремниевой интегральной схемой.

Для охлаждения таких ФПУ могут применяться специальные микрокриогенные системы, которые работают по обратному замкнутому регенеративному циклу Стирлинга.

ГлавнаяРадиоэлектроника для начинающих → Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Copyright © Go-Radio.ru