Меню

Свободные носители зарядов которыми обусловлен ток в фоторезисторе



Свободные носители зарядов которыми обусловлен ток в фоторезисторе

Фотоэлектрическим прибором называется преобразователь лучистой энергии, благодаря которой изменяются электрические свойства вещества, содержащегося в этом приборе.

Под лучистой понимают энергию электромагнитного излучения широкого диапазона частот. Однако в большинстве случаев фотоэлектрические приборы являются приемниками электромагнитных излучений оптического диапазона, к которому относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения с длиной волны от десятков нанометров до десятых долей миллиметра. Различают два вида фотоэффекта: внутренний и внешний.

Внутренний фотоэффект — возбуждение электронов вещества, то есть переход их на более высокий энергетический уровень под действием излучения, благодаря чему изменяются концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества.

Внутренний фотоэффект наблюдается лишь в полупроводниках и диэлектриках. В металлах лучистая энергия оптического диапазона воздействует только на свободные электроны, их концентрация при освещении металла не изменяется, поэтому внутренний фотоэффект отсутствует. При освещении полупроводников и диэлектриков часть валентных электронов увеличивает свою энергию за счет лучистой энергии, преодолевает запрещенную зону и переходит в зону проводимости. У диэлектриков ширина запрещенной зоны имеет большую величину, поэтому внутренний фотоэффект в них проявляется гораздо слабее, чем в полупроводниках.

Внутренний фотоэффект может проявляться в виде изменения электрической проводимости в однородных полупроводниках или создания ЭДС в неоднородных полупроводниках. Его используют в фоторезисторах, в фотодиодах и фототранзисторах.

Внешний фотоэффект — это фотоэлектронная эмиссия, т. е. выход электронов за пределы поверхности вещества под действием излучения. Фотоэлектронная эмиссия в большей или меньшей степени может происходить в любом веществе.

Внешний фотоэффект лежит в основе работы электронных и ионных фотоэлементов, а также фотоэлектронных умножителей.

Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, то есть изменения электрической проводимости полупроводника при его освещении. Впервые явление фотопроводимости было обнаружено у селена в 1873 г. У. Смитом.

Хотя внутренний фотоэффект наблюдается во всех полупроводниках, в фоторезисторах используют лишь некоторые из них, обладающие наиболее высокой фотопроводимостью. К ним относятся сульфиды, селениды и теллуриды таких металлов, как кадмий, висмут, свинец и таллий, некоторые окислы, интерметаллические соединения, а также селен, германий и кремний.

Рис. 1. Устройство (а) и схема включения (б) фоторезистора

Устройство фоторезистора показано на рис. 1, а. Пластинка или пленка полупроводникового материала 1 закреплена на подложке 2 из непроводящего материала — стекла, керамики или кварца. Световой поток падает на фотоактивный материал через специальное отверстие (окно) разной формы в пластмассовом корпусе. В качестве электродов используют металлы, не подвергающиеся коррозии (золото, платина) и образующие хороший контакт с полупроводником. Для защиты от внешних воздействий поверхность фотоактивного материала покрывают слоем прозрачного лака.

Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания Еа (рис. 1, б), то в электрической цепи появится небольшой ток, называемый темновым током, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.

При освещении фоторезистора ток в цепи сильно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называется световым током или фототоком, величина которого зависит от интенсивности освещения, величины приложенного напряжения, а также вида и размеров полупроводника, используемого в фоторезисторе.

Одной из основных является энергетическая характеристика фототока фоторезистора, то есть зависимость фототока IФ от потока излучения Ф, измеряемого в люменах (рис. 2).

Рис. 2. Энергетическая характеристика фототока фоторезистора

Видно, что при малых значениях светового потока характеристику можно считать линейной, а при больших значениях фототок не пропорционален световому потоку.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики фоторезистора

Вольт-амперные характеристики большинства фоторезисторов линейны (рис. 3), однако в некоторых случаях при повышении напряжения линейность нарушается/

На величину фототока IФ оказывает влияние также спектральный состав светового потока. Зависимость относительной величины фототока от длины волны излучения λ при постоянном световом потоке определяет спектральную характеристику.

Фоторезисторы обладают значительной инерционностью, обусловленной временем генерации и рекомбинации электронов и дырок, происходящих при изменении освещенности фоторезистора. Время установления стационарной величины фотопроводимости называется временем фотоответа фоторезистора. Время фотоответа определяет максимально допустимую частоту модуляции светового потока, т. е. частотный диапазон работы фоторезистора,

Кроме рассмотренных характеристик, работа фоторезисторов определяется рядом параметров, основными из которых являются следующие.

Чувствительность. Различают монохроматическую и интегральную чувствительность. При воздействии на фоторезистор монохроматического излучения величина токовой чувствительности

характеризует монохроматическую чувствительность. Когда фоторезистор подвергается немонохроматическому излучению заданного спектрального состава, величина SI определяет интегральную чувствительность. Для измерения интегральной чувствительности фотоэлектрических приборов принято использовать лампу накаливания с вольфрамовой нитью при температуре 2850 К.

Темновое сопротивление. Величина сопротивления неосвещенных фоторезисторов имеет широкий диапазон значений: RT = 10 2 — 10 10 Ом. Наибольшую величину RT имеют сернисто-кадмиевые фоторезисторы (10 7 —10 10 Ом).

Рабочее напряжение. Величину рабочего напряжения Uр фоторезистора, которая зависит от его размеров, то есть от расстояния между электродами, выбирают в пределах от единиц до сотен вольт.

Пороговый поток. Пороговым потоком ФП фоторезисторов называется минимальный поток излучения, вызывающий изменение тока, превышающее уровень шумов, обусловленных тепловыми флуктуациями концентрации свободных носителей заряда. Этот параметр имеет важное значение при использовании фоторезисторов для регистрации или обнаружения предельно малых световых сигналов. Наименьшим пороговым потоком обладают селенисто-кадмиевые фоторезисторы типа СФЗ-1 (10 –11 лм).

Недостатком фоторезисторов является, как и любых полупроводниковых приборов, существенная зависимость параметров от температуры.

Преимущества фоторезисторов: высокая чувствительность, возможность использования в инфракрасной области спектра излучения, небольшие габариты и возможность работы в цепях постоянного и переменного токов.

Источник

Параметры и характеристики фоторезисторов

Определим основные параметры фоторезисторов.

1. Фототок – ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

2. Общий ток фоторезистора – ток, состоящий из темнового тока и фототока. Темновой ток измеряют при напряжении 1В.

3. Рабочее напряжение Uр – постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях (гарантирующее продолжительную работу фоторезистора). При работе в импульсном режиме у сернисто-кадмиевых и селенисто-кадмиевых фоторезисторов допустимое напряжение может в 2-3 раза превышать рабочее. У сернисто-свинцовых фоторезисторов рабочее напряжение можно принять равным 0,1 RТ, где RТ в килоомах. У различных фоторезисторов Uр лежит в пределах 4…400 В.

4. Максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax – максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

5. Максимально допустимая мощность рассеяния Рmax имеет величины в пределах 0,01…0,2 Вт. Она ограничена допустимым ростом темнового тока за счет разогрева.

6. Темновое сопротивление RТ – сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности. У некоторых типов фоторезисторов темновое сопротивление может иметь значительный разброс от 10 4 до 10 7 Ом.

7. Световое сопротивление RС – сопротивление фоторезистора, измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

Читайте также:  Стабилитрон вах при переменном токе

8. Кратность изменения сопротивления KR – отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению). Это один из важнейших параметров, характеризующий чувствительность фоторезистора. С увеличением освещенности кратность возрастает по линейному закону, с уменьшением – снижается. Наименьшей чувствительностью обладают сернисто-свинцовые фоторезисторы, у которых кратность при освещенности 200 лк не ниже 1,2. У остальных типов фоторезисторов чувствительность значительно выше и может быть от 10 2 до 10 4 .

9. Постоянная времениtф – время, в течение которого фототок изменяется на 63%, т. е. в e раз. Постоянная времени характеризует инерционность прибора и влияет на вид его частотной характеристики.

10. Коэффициент усиления по току М может достигать величин 10 3 – 10 7 . Для увеличения М увеличивают постоянную времени t (но при этом возрастает инерционность и уменьшается диапазон частот модуляции сигнала), либо уменьшают время пролета (уменьшая длину фоточувствительного слоя, увеличивая рабочее напряжение).

11. Длинноволновая граница фотопроводимости l определяется шириной запрещенной зоны DWЗ, либо энергией активации примесей DWпр используемых материалов.

Наиболее распространенные материалы фоторезисторов имеют величины:

— сернистый кадмий (CdS) l = 0,49 мкм (DW = 2,53 эВ);

— сернистый свинец (PвS) ¾ 3,36 мкм (DW = 0,37 эВ);

— антимонид индия (JлSв, 77 К) ¾ 7,3 мкм (DW = 0,17 эВ);

— германий, легированный медью (Ge:Cu, 15 К) ¾ 25 мкм

12. Рабочая длина волны – lmax – соответствует максимуму спектральной характеристики фоторезистора, lmax на 20…50% 2 . Имеет, например, у фоторезистора из CdS величину 2 · 10 -15 [Вт/см Гц 1/2 ].

15. Удельная интегральная чувствительность– отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение: К= Iф / (ФU),

где Iф – фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и при определенной (200 лк) освещенности; Ф – падающий световой поток; U – напряжение, приложенное к фоторезистору.

Чувствительность называют интегральной, потому что измеряют ее при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава. Для различных фоторезисторов К составляет от 1 до 600 мА/(лм · В).

Важными характеристиками фоторезисторов являются вольтамперная, световая, спектральная, частотная, переходная, шумовая.

1. ВАХ – вольт-амперная характеристика , характеризующая зависимость фототока (рис. 14)(при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе. Эта характеристика линейна в довольно широких пределах. Для некоторых типов фоторезисторов при напряжениях меньше рабочего наблюдается нелинейность.

Рис. 14. Вольт-амперная характеристика фоторезистора для фототока при фиксированном световом потоке

Обычно рассматривают семейство ВАХ при различных величинах Ф (рис. 15).

Рис. 15. Вольт-амперная характеристика фоторезистора

Темновая ВАХ фоторезистора (ОД) линейна, для наглядности на рис. 15 величина темнового тока увеличена в 10 3 раз. Типовая ВАХ (например, при Ф1 = 0,1 лм) в общем случае состоит из 3 участков:

— ОА – обычно нелинейный, из-за заметного при малых токах и напряжениях действия потенциальных барьеров между полупроводниковым слоем и выводами, между отдельными зернами фоточувствительного слоя (нарисован несколько укрупнено). При малых напряжениях сопротивление фоторезистора определяется в основном сопротивлением контактов между отдельными зернами или кристаллами полупроводника, напряженность электрического поля на них получается большой. Поэтому при увеличении приложенного напряжения сопротивление контактов уменьшается либо из-за эффектов сильного поля (например, туннелирование сквозь узкие потенциальные барьеры на контактах), либо из-за разогрева приконтактных областей отдельных зерен полупроводника.

— АВ – рабочий, линейный участок.В этом случае сопротивление фоторезистора постоянное и определяется объемным сопротивлением зерен полупроводника.

— ВС – загиб ВАХ при больших токах обусловлен разогревом фоточувствительного слоя, ростом концентрации носителей, скорости рекомбинации и, соответственно, уменьшением времени жизни носителей и коэффициента усиления М.

2. Световая (люкс-амперная) характеристика характеризует зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава при постоянном напряжении на фоторезисторе. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люкс-амперную характеристику (рис. 16).

Рис. 16. Световая характеристика фоторезистора

Рабочей является линейная часть световой характеристики (участок АВ), на которой ток фоторезистора пропорционален световому потоку.

При малых интенсивностях светового потока световая характеристика (участок ДА) нелинейна из-за

— наличия темнового тока (при Ф = 0);

— непропорционального роста фототока при слабом освещении из-за захвата фотоносителей центрами рекомбинации, ловушками, создаваемыми дефектами кристаллической решетки, атомами посторонних примесей. При увеличении освещенности происходит смещение квазиуровней Ферми для электронов и дырок к основным зонам (для дырок – к валентной зоне, для электронов – к зоне проводимости). В результате часть уровней ловушек захвата становится уровнями рекомбинационных потерь, что приводит к уменьшению времени жизни носителей заряда.

При больших световых потоках (участок ВС) происходит загиб световой характеристики из-за увеличения скорости рекомбинации носителей, уменьшения времени жизни t и коэффициента усиления М. Кроме этого, уменьшается подвижность носителей заряда, т.к. при увеличении освещенности возрастает число ионизированных атомов в полупроводнике и, следовательно, растет рассеяние носителей заряда ионизированными атомами.

Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон
люкс-амперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.

3. Спектральная характеристика – это зависимость относительной (т.е. нормированной по максимуму) чувствительности (тока) фоторезистора от длины волны излучения при фиксированных напряжении на фоторезисторе и силе светового потока (рис. 17). Спектральная характеристика определяет чувствительность фоторезистора

Рис. 17. Спектральные характеристики фоторезистора

При l > l энергии кванта недостаточно для генерации свободных носителей заряда (hυ

| следующая лекция ==>
Принцип действия фоторезисторов | Разновидности и маркировка фоторезисторов

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Варианты тестовых заданий по дисциплине Электротехника и электроника

Скачать 0.81 Mb.

Раздел 8 «Электроника»

1.Какие диоды применяют для выпрямления переменного тока?

а) Плоскостные б) Точечные

в) Те и другие г) Никакие

2.В каких случаях в схемах выпрямителей используется параллельное включение диодов?

а) При отсутствии конденсатора б) При отсутствии катушки

в) При отсутствии резисторов г) При отсутствии трёхфазного

3.Из каких элементов можно составить сглаживающие фильтры?

а) Из резисторов б) Из конденсаторов

в) Из катушек индуктивности г) Из всех вышеперечисленных приборов

4.Для выпрямления переменного напряжения применяют:

а) Однофазные выпрямители б) Многофазные выпрямители

в) Мостовые выпрямители г) Все перечисленные

5. Какие направления характерны для совершенствования элементной базы электроники?

а) Повышение надежности б) Снижение потребления мощности

в) Миниатюризация г) Все перечисленные

6.Укажите полярность напряжения на эмиттере и коллекторе транзистора типа p-n-p.

а) плюс, плюс б) минус, плюс

в) плюс, минус г) минус, минус

7.Каким образом элементы интегральной микросхемы соединяют между собой?

а) Напылением золотых или алюминиевых дорожек через окна в маске б) Пайкой лазерным лучом

8. Какие особенности характерны как для интегральных микросхем (ИМС) , так и для больших интегральных микросхем(БИС)?

а) Миниатюрность б) Сокращение внутренних соединительных линий

в) Комплексная технология г) Все перечисленные

9.Как называют средний слой у биполярных транзисторов?

Читайте также:  Чем ограничить ток 12в

в) База г) Коллектор

10. Сколько p-n переходов содержит полупроводниковый диод?

11.Как называют центральную область в полевом транзисторе?

в) Исток г) Ручей

12.Сколько p-n переходов у полупроводникового транзистора?

13.Управляемые выпрямители выполняются на базе:

а) Диодов б) Полевых транзисторов

в) Биполярных транзисторов г) Тиристоров

14. К какой степени интеграции относятся интегральные микросхемы, содержащие 500 логических элементов?

а) К малой б) К средней

в) К высокой г) К сверхвысокой

а) Выпрямителями б) Инверторами

в) Стабилитронами г) Фильтрами

16. Какими свободными носителями зарядов обусловлен ток в фоторезисторе?

а) Дырками б) Электронами

в) Протонами г) Нейтронами

Раздел 9 «Электропривод»

1.Механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

а) Мягкая б) Жесткая

в) Абсолютно жесткая г) Асинхронная

2.Электроприводы крановых механизмов должны работать при:

а) Переменной нагрузке б) Постоянной нагрузки

в) Безразлично какой г) Любой

3. Электроприводы насосов, вентиляторов, компрессоров нуждаются в электродвигателях с жесткой механической характеристикой. Для этого используются двигатели:

а) Асинхронные с контактными кольцами б) Короткозамкнутые асинхронные

в) Синхронные г) Все перечисленные

4.Сколько электродвигателей входит в электропривод?

в) Несколько г) Количество электродвигателей зависит от

типа электропривода

5. В каком режиме работают электроприводы кранов, лифтов, лебедок?

а) В длительном режиме б) В кратковременном режиме

в) В повторно- кратковременном режиме г) В повторно- длительном режиме

6.Какое устройство не входит в состав электропривода?

а) Контролирующее устройство б) Электродвигатель

в) Управляющее устройство г) Рабочий механизм

7.Электроприводы разводных мостов, шлюзов предназначены для работы:

а) В длительном режиме б) В повторно- кратковременном режиме

в) В кратковременном режиме г) В динамическом режиме

8. Какие функции выполняет управляющее устройство электропривода?

а) Изменяет мощность на валу рабочего механизма

в) Изменяет схему включения электродвигателя, передаточное число, направление вращения г) Все функции перечисленные выше

9.При каком режиме работы электропривода двигатель должен рассчитываться на максимальную мощность?

а) В повторно- кратковременном режиме б) В длительном режиме

в) В кратковременном режиме г) В повторно- длительном режиме

10. Какие задачи решаются с помощью электрической сети?

а) Производство электроэнергии б) Потребление электроэнергии

в) Распределение электроэнергии г) Передача электроэнергии

Источник

Фоторезисторы

date image2014-01-25
views image11609

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого меняется под действием светового потока. Основной частью фоторезистора является полупроводниковый элемент, снабженный выводами и расположенный так, что на него может падать свет.

Принцип действия фоторезистора основан на образовании допол-нительного количества подвижных носителей заряда в результате поглощения полупроводником лучистой энергии, вследствие чего уменьшается его сопротивление, т.е. возникает дополнительная электропроводность, называемая фотопроводимостью полупроводника. Если освещать поверхность полупроводника непрерывно, то число дополнительных носителей заряда будет возрастать до наступления динамического равновесия, когда число вновь появившихся носителей будет равно числу рекомбинировавших. После прекращения освещения избыточные носители рекомбинируют друг с другом и восстанавливается прежняя величина проводимости, характерная для не облучаемого элемента.

Концентрация носителей заряда, возбужденных светом, определяется выражением

где Ф — интенсивность облучения; b1 — коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты падающего света и скорости рекомбинации носителей заряда.

Если концентрация носителей, возбужденных светом, меньше темновой концентрации, то

Выражение для фотопроводимости имеет вид:

С энергетической точки зрения увеличение проводимости полупроводников объясняется переходом электронов под действием света из валентной зоны в зону проводимости и другими переходами (рис 7.1.1). При этом энергия фотонов hn должна быть больше энергии запрещенной зоны ΔЕ . Валентные электроны, переходя в свободную зону, оставляют на своем месте дырку. Эти дополнительные носители заряда определенное время находятся в свободном состоянии, а затем рекомбинируют, т.е. переходят либо в валентную
зону, либо на примесные уровни. Однако часть фотонов, поглощенных поверхностью полупроводника, рассеивается в кристаллической решетке, повышая интенсивность теплового движения. Для получения фототока необходимо в цепи последовательно с фоторезистором включить посторонний источник Э.Д.С. Выражение для фототока можно записать в виде

где sф –фотопроводимость, E— напряженность электрического поля, S — площадь сечения полупроводника. Разность Iф между световым током Iсв и темновым IТ:

Темновой ток является одним из параметров фоторезистора. Иногда более удобно пользоваться понятием темновое сопротивление, которое определяется как сопротивление неосвещенного фоторезистора. Для большинства фоторезисторов указывается нижний предел темнового сопротивления. Обычно величина темнового сопротивления находится в пределах от десятков килоом до нескольких мегаом.

Для переноса электрона из валентной зоны в зону проводимости необходимо сообщить ему определенную энергию. В связи с тем, что различные материалы имеют различную ширину запрещенной зоны, для фоторезистора существует пороговая длина волны, различная для различных материалов. Например, ширина запрещенной зоны германия 0.72 эВ, а кремния 1.12 эВ. И, соответственно, пороговая длина волны для германия 1.8 мкм, а для кремния 1.2 мкм. Для перевода электрона с примесного уровня в зону проводимости требуется значительно меньшая энергия (менее 0.1 эВ) и соответственно воздействие светом значительно большей длины волны (инфракрасная область). Поэтому обычно наблюдаются несколько максимумов: основной коротковолновый и более слабые длинноволновые, обусловленные возбуждением электронов примесных центров, межпримесными переходами, поглощением свободными носителями, экситонным поглощением и т.д.

Вольтамперные характеристики фоторезистора линейны в пределах максимально допустимой мощности рассеяния на них. При большом напряжении на фоторезистор вследствие чрезмерного нагрева его происходит разрушение светочувствительного слоя.

Вольтамперные характеристики в общем случае могут быть записаны в виде

где a — коэффициент нелинейности световой характеристики, g — коэффициент нелинейности вольтамперной характеристики, Ао — постоянная, определяющаяся параметрами полупроводника, U — приложенное напряжение, Е — освещенность.

Световые (энергетические) характеристики фоторезистора (рис.7.1.2) обычно нелинейны. Особенностью световых характеристик является наличие темнового тока, т.е. тока, протекающего через фоторезистор при отсутствии освещенности (в темноте). В определенном интервале освещенности световая характеристика может быть аппроксимирована выражением

Основными характеристиками фоторезистора является интегральная и спектральная чувствительность. Интегральная чувствительность фоторезистора определяется как отношение разности токов при освещении Iсв и темнового Iт к световому потоку, падающему на резистор при номинальном значении Uном напряжения:

где Ф — световой поток, определяемый из выражения

S — рабочая площадь фоторезистора в м 2 ; Е – освещенность в лк.

Интегральная чувствительность фоторезистора сильно зависит от температуры. При увеличении температуры интегральная чувствительность резко снижается, т.к. увеличивается равновесная концентрация носителей заряда и вероятность рекомбинации избыточных носителей, возникающих при освещении, что приводит к уменьшению фототока.

Увеличение концентрации носителей с ростом температуры приводит к возрастанию темнового тока. В связи с этим в ряде случаев, где требуется высокая чувствительность, применяется охлаждение фоторезистора. Интегральная чувствительность фоторезистора достигает величины 4 А/лм.

Ввиду того, что зависимость между током и напряжением линейна, вводят параметр удельной чувствительности фоторезистора. Удельная чувствительность равна отношению фототока к величине светового потока при условии, что приложенное к фоторезистору напряжение равно 1 В:

Таким образом, удельная чувствительность падает с увеличением светового потока. Иногда для характеристики чувствительности фоторезистора удобно пользоваться относительным изменением сопротивлений

или параметром кратности изменения сопротивления, представляющим собой отношение темнового сопротивления к сопротивлению при освещенности Rт/Rсв, где Rт — темновое сопротивление; Rсв — сопротивление при освещенности Е.

Читайте также:  Аккумулятор для дизеля с хорошим пусковым током

Очевидно, что кратность изменения сопротивления с увеличением освещенности возрастает, т.к. сопротивление Rсв уменьшается, а Rт остается без изменений. Поэтому значение кратности указывается при определенной освещенности. Например, при освещенности в 200 лк кратность изменения сопротивления для сернисто-свинцовых фоторезисторов составляет единицы, а для сернисто-кадмиевых достигает 10 5 .Спектральная чувствительность фоторезистора определяется величиной фототока или фотопроводимости при освещении его единицей светового потока определенной длины волны. На рис.7.1.3 приведены спектральные характеристики сернисто-кадмиевых фоторезисторов. Максимум приходится на длину волны соответствующую энергии, необходимой для перевода электронов в зону проводимости. Если проводник легирован примесями, то каждой примеси на графике будет соответствовать свой максимум.

Поэтому, например, сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют максимум чувствительности в красной и ближней инфракрасной области спектра, сернисто-свинцовые – в инфракрасной. Поскольку для многих полупроводников ширина максимума значительна, то чувствительность большинства фоторезисторов достаточно высока в широком диапазоне длин волн (практически от инфракрасной области спектра до рентгеновских лучей.)

При увеличении температуры вид спектральной характеристики меняется. Она может смещаться как в длинноволновую, так и в коротковолновую область спектра. Это объясняется тем, что ширина запрещенной зоны может увеличиваться, а может уменьшаться с изменением температуры.

Пороговая чувствительность характеризует минимальный световой поток, создающий в цепи фоторезистора электрический сигнал, обычно 2-3 раза превышающий напряжение шума фоторезистора.

С понижением температуры пороговая чувствительность возрастает. Поэтому для достижения высокого порога чувствительности применяют глубокое охлаждение фоторезистора. Охлаждение осуществляется криогенными жидкостями или охлаждающими устройствами. Однако следует учитывать, что при охлаждении уменьшается ширина запрещенной зоны и происходит сдвиг максимума спектральной чувствительности в длинноволновую область спектра.

Как было уже отмечено, фототок достигает своего максимального значения лишь через некоторое время после начала облучения. Точно так же после прекращения освещенности фототок прекратится лишь через некоторое время. Таким образом, фототок не успевает следовать за изменением освещенности. Это объясняется конечным временем нарастания и спада концентрации избыточных носителей, которое определяется временем жизни неосновных носителей в данном полупроводниковом материале. В свою очередь время жизни неосновных носителей связано с наличием большого количества ловушек в поликристаллическом полупроводнике. Ловушки захватывают носители тока при включении света и освобождают их после выключения.

Инерционность фоторезистора характеризует постоянная времени τ, за которую фототок уменьшится в е раз после мгновенного затемнения фотосопротивления. Инерционность фоторезистора сказывается, когда на него падает модулированный световой поток. При этом с увеличением частоты модуляции сила фототока будет снижаться. Постоянная времени фоторезистора достигает величины 10 -7 с (для сернисто-свинцовых фоторезисторов). Наиболее инерционны сернисто-кадмиевые фоторезисторы. С увеличением освещенности и температуры постоянная времени уменьшается. Для фоторезисторов характерно, что фронт и спад фототока могут существенно отличаться.

Тепловые свойства фоторезистора определяет температурный коэффициент фототока (ТКФ), выраженным в % / о С. Величина ТКФ определяется из температурной зависимости фототока при определенном напряжении и освещенности.

К максимально допустимым режимам фоторезистора относится: Uмах — максимальное рабочее напряжение, при котором не происходит необратимых изменений в структуре фоторезистора; Pмах — максимальная мощность рассеяния, при которой фоторезистор остается работоспособным в течение гарантированного срока службы. Превышение мощности рассеяния приводит к превышению допустимой температуры и необратимым изменениям свойств фоторезисторов. С увеличением температуры окружающей среды максимально допустимая мощность снижается по линейному закону.

Фоторезисторам свойственен процесс старения. Он заключается в постепенном уменьшении омического сопротивления, изменении фототока и росте чувствительности. Процесс этот продолжается в течение нескольких сотен часов, после чего его параметры стабилизируются.

Рассмотрим устройство фоторезистора (рис.7.1.4). На диэлектрическую подложку из стекла, слюды, керамики 1 наносится слой металла — золота, серебра или платины. В металлическом слое прорезают щель для разделения на два электрически изолированных электрода 2. Затем на поверхность металла наносится слой полупроводника 3. Для защиты от внешних воздействий фотоэлемент покрывают слоем лака или эпоксидной смолы 4, пропускающим свет лишь нужной области спектра, и монтируют в металлический или пластмассовый корпус, который оборудован штырьками или гибкими выводами для включения в схему. Для проникновения света корпус имеет окошечко, расположенное над полупроводниковым слоем. Для использования в микросхемах, а также для случаев, когда предъявляются особые требования к габаритам аппаратуры, фоторезисторы выпускают в бескорпусном исполнении. Конструкции фоторезистора обеспечивают включение в цепь с помощью прижимных контактов (ФС-К0), посредством включения в обычную панель (ФС-К1), посредством пайки (ФС-К7), например, для включения в мостовую схему. Фоторезисторы, предназначенные для применения в условиях повышенной влажности, имеют герметичный корпус.

Материалом для фоторезисторов служат сульфид свинца, соединения сернистого кадмия, висмута и т.п., обладающие свойствами полупроводников. Слой полупроводника должен быть тонким, чтобы относительное изменение проводимости было как можно большим. Это объясняется тем, что увеличение проводимости происходит лишь в приповерхностных слоях, где происходит поглощение света, и на расстоянии не более диффузионной длины носителей, куда диффундируют освободившиеся носители заряда. Полупроводниковый слой фоторезистора получается методом испарения в вакууме, прессования и спекания из полупроводникового порошка тонких пластинок, химическим охлаждением, изготовлением пластин из монокристалла. После осаждения полупроводниковая пластинка обжигается в воздухе или какой-либо другой атмосфере, содержащей кислород. Эта обработка оказывает большое влияние на характеристики фотоэлемента. От природы и характера термообработки зависит спектральная чувствительность фотоэлемента. Для работы в инфракрасной области спектра предназначены фоторезисторы типа ФСА и ФСД, а для работы в области видимого света ФСК. Если фоторезисторы необходимо устанавливать вблизи источника света, тогда используются фоторезисторы, на полупроводниковый слой которых падает лишь отраженный свет. Обозначение фоторезисторов состоит из букв ФС и СФ (фотосопротивление), за которыми следует буква или цифра, характеризующие состав материала полупроводника и конструктивное оформление (А — PbS, K — CdS, Г — герметизированная конструкция).

Благодаря простоте и надежности, высокой чувствительности и малым размерам фоторезисторы находят широкое и разнообразное применение в самых различных областях техники. Они могут использоваться в качестве фотоэлектрических преобразователей, измерительных устройств, фотоэлектрических реле и регуляторов. Некоторые фоторезисторы (ФК-К0, ФС-К1, ФС-К6) обладают большой допустимой мощностью рассеяния (порядка 10 — 30 Вт) и имеют высокое рабочее напряжение (свыше 100 Вольт). Широкое применение нашли фоторезисторы в измерительных фотоэлектрических устройствах, предназначенных для измерения интенсивности и спектрального состава излучений, для измерения различных оптических характеристик (коэффициентов отражения, преломления, оптической плотности), для измерения деформаций, автоматического взвешивания в поточной линии и др.

Можно отметить еще одну область применения фоторезисторов –фотоэлектрические преобразователи в телевизионных передающих трубках, фотоэлектролюминисцентные усилители оптических изображений, фотокомпенсационные узлы усилителей и стабилизаторов постоянного тока и др.

К числу преимуществ фоторезисторов можно отнести высокую интегральную чувствительность, превышающую чувствительность некоторых вакуумных фотоэлементов в 10 5 раз, значительная мощность рассеяния, благодаря чему можно управлять электрической цепью мощностью в несколько ватт, малые размеры и вес, большой срок службы, высокую стабильность свойств, простоту технологии их изготовления.

Недостатками фоторезисторов являются инерционность, температурная зависимость, ограничивающая эксплуатацию фоторезисторов в широких интервалах температур, нелинейная зависимость фототока от интенсивности облучения, значительный разброс параметров у фоторезисторов одного и того же типа.

Источник

Adblock
detector