Con il termine luce si intende comunemente la radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda tra
l = 0.4 µm e l = 0.8 µm. Questa è la radiazione cui è sensibile l’occhio umano.

I due tipi principali di conversione di luce in segnale elettrico sono per trasformazione dell’energia assorbita in fononi (eccitazioni del reticolo, cioè energia termica), e per effetto fotoelettrico interno (creazione di coppie elettrone-lacuna nei semiconduttori).

Si possono quindi distinguere due grandi categorie di sensori optoelettronici:

• i sensori termici (termopile, cristalli piroelettrici): hanno risposta piatta in funzione della frequenza della luce incidente, cioè sensibilità costante dall’infrarosso all’ultravioletto. Tuttavia, dato che si comportano cioè come filtri passa-alto (con frequenza di taglio tra 1 Hz e 100 Hz), devono operare in luce intermittente. Il segnale sfruttato è sostanzialmente un gradiente termico prodotto dal riscaldamento preferenziale di una porzione del sensore rispetto ad un’altra porzione.
• i sensori a semiconduttore (fotoresistenze, fotodiodi, fototransistor): non tutta la luce può produrre effetto fotoelettrico, ma solo quella di lunghezza d’onda l inferiore ad una certa soglia l_s. La lunghezza d'onda di soglia l_sè quella per cui hc/l = hn = E_g , ove E_gè il salto energetico che l'elettrone deve fare per passare dalla banda di conduzione alla banda di valenza, h è la costante di Plank, n è la frequenza della luce e c la velocità della luce.
  In altri termini i fotoni di energia maggiore o uguale ad E_g vengono assorbiti producendo coppie di portatori di carica: elettrone-lacuna.

[termopila] [sensore piroelettrico] [fotoresistenze] [celle fotovoltaiche, fotodiodi]

Sensori Termici

Termopila

La termopila è una versione miniaturizzata di termocoppia, costituita di numerose coppie di giunzioni in serie, con le giunzioni di riferimento mantenute al buio e le giunzioni di misura esposte alla luce. I modelli commerciali hanno le dimensioni di ingombro di un normale transistor e un’area sensibile dell’ordine del mm².

Sensore piroelettrico

I materiali piroelettrici se sono sottoposti ad una variazione di temperatura, modificano la propria polarizzazione interna. Tale variazione di polarizzazione è rilevabile esternamente come differenza di potenziale tra due armature metalliche a contatto con superfici opposte. Se una delle due armature è sottoposta ad illuminazione intermittente, tra le due armature si preleva un segnale proporzionale all’intensità della luce assorbita.

I bolometri possono essere usati come sensori dell’emissione di “corpo nero” (cfr. i pirometri ora in vendita nelle farmacie per misurare la temperatura dell’interno dell’orecchio) o come sensori di luce a risposta piatta.

Sensori di luce a semiconduttore

Le fotoresistenze

Le fotoresistenze sono costituite da un materiale semiconduttore (di solito PbS, CdS, CdSe). Il numero di portatori di carica, e quindi la conducibilità, aumenta in proporzione all’intensità della luce incidente, e la resistenza cala.
La risposta in funzione della lunghezza d’onda, detta anche sensibilità spettrale del sensore, ha generalmente un picco per valori un po’ inferiori a ls.
Dato il basso costo e la lentezza di risposta, si usano principalmente come rivelatori di soglia luminosa (interruttori crepuscolari.

Celle fotovoltaiche, fotodiodi

La cella fotovoltaica o fotodiodo è una giunzione PN, in cui il semiconduttore drogato P ha uno spessore sottile, così da permettere alla luce di penetrare nello strato di svuotamento: qui le coppie create per effetto fotoelettrico generano in un circuito esterno una corrente fotovoltaica.

Curve caratteristiche i-v e risposta spettrale di fotodiodo
Nella regione “fotoconduttiva” la polarizzazione è inversa e il funzionamento è quello normalmente detto di fotodiodo.

I sensori che nelle macchine fotografiche controllano i tempi di esposizione, sono di questo tipo.
Il sensore di luce Texas-Vernier è un fototransistor al silicio (Hamamatsu S1133), la cui sensibilità spettrale non è piatta: assomiglia a quella dell’occhio umano.