загрузка...
загрузка...
На головну

фоторезистори

Дивіться також:
  1. фоторезистори

Фоторезистором називається напівпровідниковий прилад, електричний опір якого змінюється під дією світлового потоку. Основною частиною фоторезистора є напівпровідниковий елемент, забезпечений висновками і розташований так, що на нього може падати світло.

Принцип дії фоторезистора заснований на утворенні додат-Передачі кількості рухливих носіїв заряду в результаті поглинання полупроводником променевої енергії, внаслідок чого зменшується його опір, т. Е. Виникає додаткова електропровідність, звана фотопроводимостью напівпровідника. Якщо висвітлювати поверхню напівпровідника безперервно, то число додаткових носіїв заряду буде зростати до настання динамічної рівноваги, коли число новопосталих носіїв буде дорівнює числу рекомбинированного. Після припинення освітлення надлишкові носії рекомбінують один з одним і відновлюється колишня величина провідності, характерна для НЕ опромінюється елемента.

Концентрація носіїв заряду, збуджених світлом, визначається виразом

nф = b1, ............................. 7.1.1

де Ф - Інтенсивність опромінення; b1 - Коефіцієнт пропорційності, що залежить від частоти падаючого світла і швидкості рекомбінації носіїв заряду.

Якщо концентрація носіїв, збуджених світлом, менше темновой концентрації, то

nф = b2Ф. .............................. 7.1.2

Вираз для фотопровідності має вигляд:

sф = еnфm. ............................. 7.1.3

З енергетичної точки зору збільшення провідності напівпровідників пояснюється переходом електронів під дією світла з валентної зони в зону провідності і іншими переходами (рис 7.1.1). При цьому енергія фотонів hn повинна бути більше енергії забороненої зони ДЕ . Валентні електрони, переходячи в вільну зону, залишають на своєму місці дірку. Ці додаткові носії заряду певний час знаходяться у вільному стані, а потім рекомбінують, т. Е. Переходять або в валентну
 зону, або на домішкові рівні. Однак частина фотонів, поглинутих поверхнею напівпровідника, розсіюється в кристалічній решітці, підвищуючи інтенсивність теплового руху. Для отримання фотоструму необхідно в ланцюзі послідовно з фоторезистором включити стороннє джерело Е. Д. С. Вираз для фотоструму можна записати у вигляді

Iф = sфES,.............................. 7.1.4

де sф -фотопроводімость, E- Напруженість електричного поля, S - Площа перерізу напівпровідника. різниця Iф між світловим потоком Iсв і темновим IТ:

IФ = Iст - Iт ............................. 7.1.5

Темновий ток є одним з параметрів фоторезистора. Іноді більш зручно користуватися поняттям темнової опір, яке визначається як опір неосвітленому фоторезистора. Для більшості фоторезисторів вказується нижня межа темнового опору. Зазвичай величина темнового опору знаходиться в межах від десятків кіло до декількох мега.

Для перенесення електрона з валентної зони в зону провідності необхідно повідомити йому певну енергію. У зв'язку з тим, що різні матеріали мають різну ширину забороненої зони, для фоторезистора існує порогова довжина хвилі, різна для різних матеріалів. Наприклад, ширина забороненої зони германію 0.72 еВ, а кремнію 1.12 еВ. І, відповідно, гранична довжина хвилі для германію 1.8 мкм, а для кремнію 1.2 мкм. Для перекладу електрона з домішкового рівня в зону провідності потрібна значно менша енергія (менш 0.1 еВ) і відповідно вплив світлом значно більшої довжини хвилі (інфрачервона область). Тому зазвичай спостерігаються кілька максимумів: основний короткохвильовий і слабші довгохвильові, обумовлені порушенням електронів домішкових центрів, межпрімеснимі переходами, поглинанням вільними носіями, екситонів поглинанням і т. Д.


 Вольтамперні характеристики фоторезистора лінійні в межах максимально допустимої потужності розсіювання на них. При великій напрузі на фоторезистор внаслідок надмірного нагрівання його відбувається руйнування світлочутливого шару.

Вольтамперні характеристики в загальному випадку можуть бути записані у вигляді

Iсв= АоEa Ug, .................................7.1.6

де a - Коефіцієнт нелінійності світлової характеристики, g - Коефіцієнт нелінійності вольтамперной характеристики, Ао - Постійна, що визначається параметрами напівпровідника, U - Прикладена напруга, Е - Освітленість.

Світлові (енергетичні) характеристики фоторезистора (ріс.7.1.2) зазвичай нелінійні. Особливістю світлових характеристик є наявність темнового струму, т. Е. Струму, що протікає через фоторезистор при відсутності освітленості (в темряві). У певному інтервалі освітленості світлова характеристика може бути апроксимована виразом

Iсв= Aо Ug Фa .................................7.1.7

Основними характеристиками фоторезистора є інтегральна і спектральна чутливість. Інтегральна чутливість фоторезистора визначається як відношення різниці струмів при освітленні Iсв і темнового Iт до світлового потоку, що падає на резистор при номінальному значенні Uном напруги:

Кф, МА / лм = Iф/ Ф = (Iсв-Iт) / Ф, .................. 7.1.8

де Ф - Світловий потік, який визначається з виразу

Ф, лм = SE; .............................. 7.1.9

S - Робоча площа фоторезистора в м2; Е - Освітленість в лк.

Інтегральна чутливість фоторезистора сильно залежить від температури. При збільшенні температури інтегральна чутливість різко знижується, т. К. Збільшується рівноважна концентрація носіїв заряду і ймовірність рекомбінації надлишкових носіїв, що виникають при освітленні, що призводить до зменшення фотоструму.

Збільшення концентрації носіїв із зростанням температури призводить до зростання темнового струму. У зв'язку з цим у ряді випадків, де потрібна висока чутливість, застосовується охолодження фоторезистора. Інтегральна чутливість фоторезистора досягає величини 4 А / лм.

З огляду на те, що залежність між струмом і напругою лінійна, вводять параметр питомої чутливості фоторезистора. Питома чутливість дорівнює відношенню фотоструму до величини світлового потоку за умови, що прикладена до фоторезистори напруга дорівнює 1 В:

К0= Доф/ U = Iф/ Ф U............................. 7.1.10

Таким чином, питома чутливість падає зі збільшенням світлового потоку. Іноді для характеристики чутливості фоторезистора зручно користуватися відносною зміною опорів

DR / Rт= (Rт-Rсв) / Rт ........................... 7.1.11

або параметром кратності зміни опору, що є відношенням темнового опору до опору при освітленості Rт/ Rсв, де Rт - Темнової опір; Rсв - Опір при освітленості Е.

Очевидно, що кратність зміни опору зі збільшенням освітленості зростає, т. К. Опір Rсв зменшується, а Rт залишається без змін. Тому значення кратності вказується при певній освітленості. Наприклад, при освітленості в 200 лк кратність зміни опору для сірчистої-свинцевих фоторезисторов становить одиниці, а для сірчистої-кадмієвих досягає 105. Спектральна чутливість фоторезистора визначається величиною фотоструму або фотопровідності при висвітленні його одиницею світлового потоку певної довжини хвилі. На ріс.7.1.3 наведені спектральні характеристики сірчистої-кадмієвих фоторезисторів. Максимум припадає на довжину хвилі відповідну енергії, необхідної для перекладу електронів в зону провідності. Якщо провідник легирован домішками, то кожної домішки на графіку буде відповідати свій максимум.

Тому, наприклад, сірчистої-кадмієві фоторезистори мають максимум чутливості в червоній і ближній інфрачервоній області спектра, сірчистої-свинцеві - в інфрачервоній. Оскільки для багатьох напівпровідників ширина максимуму значна, то чутливість більшості фоторезисторів досить висока в широкому діапазоні довжин хвиль (практично від інфрачервоної області спектра до рентгенівських променів.)


 При збільшенні температури вид спектральної характеристики змінюється. Вона може зміщуватися як в довгохвильову, так і в короткохвильову область спектра. Це пояснюється тим, що ширина забороненої зони може збільшуватися, а може зменшуватися зі зміною температури.

Порогова чутливість характеризує мінімальний світловий потік, що створює в ланцюзі фоторезистора електричний сигнал, зазвичай 2-3 рази перевищує напруга шуму фоторезистора.

Зі зниженням температури порогова чутливість зростає. Тому для досягнення високого порогу чутливості застосовують глибоке охолодження фоторезистора. Охолодження здійснюється кріогенними рідинами або охолоджувальними пристроями. Однак слід враховувати, що при охолодженні зменшується ширина забороненої зони і відбувається зсув максимуму спектральної чутливості в довгохвильову область спектра.

Як було вже зазначено, фототок досягає свого максимального значення лише через деякий час після початку опромінення. Точно так же після припинення освітленості фототок припиниться лише через деякий час. Таким чином, фототок не встигає слідувати за зміною освітленості. Це пояснюється кінцевим часом наростання і спаду концентрації надлишкових носіїв, яке визначається часом життя неосновних носіїв в даному напівпровідниковому матеріалі. У свою чергу час життя неосновних носіїв пов'язано з наявністю великої кількості пасток в поликристаллическом напівпровіднику. Пастки захоплюють носії струму при включенні світла і звільняють їх після виключення.

Інерційність фоторезистора характеризує постійна часу ?, За яку фототок зменшиться в е раз після миттєвого затемнення фотосопротивления. Інерційність фоторезистора позначається, коли на нього падає модульований світловий потік. При цьому зі збільшенням частоти модуляції сила фотоструму буде знижуватися. Постійна часу фоторезистора досягає величини 10-7 с (для сірчистої-свинцевих фоторезисторов). Найбільш інерційні сірчистої-кадмієві фоторезистори. Зі збільшенням освітленості і температури постійна часу зменшується. Для фоторезисторів характерно, що фронт і спад фотоструму можуть істотно відрізнятися.

Теплові властивості фоторезистора визначає температурний коефіцієнт фотоструму (ТКФ), вираженим в% / оС. Величина ТКФ визначається з температурної залежності фотоструму при певній напрузі і освітленості.

До максимально допустимим режимам фоторезистора відноситься: Uмах - Максимальна робоча напруга, при якому не відбувається незворотних змін в структурі фоторезистора; Pмах - Максимальна потужність розсіювання, при якій фоторезистор залишається працездатним протягом гарантованого терміну служби. Перевищення потужності розсіювання призводить до перевищення допустимої температури і незворотних змін властивостей фоторезисторів. З підвищенням температури навколишнього середовища максимально допустима потужність знижується за лінійним законом.

Фоторезисторами властивий процес старіння. Він полягає в поступовому зменшенні провідникові, зміні фотоструму і зростанні чутливості. Процес цей триває протягом декількох сотень годин, після чого його параметри стабілізуються.

Розглянемо пристрій фоторезистора (ріс.7.1.4). На діелектричну підкладку зі скла, слюди, кераміки 1 наноситься шар металу - золота, срібла або платини. У металевому шарі прорізають щілину для поділу на два електрично ізольованих електрода 2. Потім на поверхню металу наноситься шар напівпровідника 3. Для захисту від зовнішніх впливів фотоелемент покривають шаром лаку або епоксидної смоли 4, пропускає світло лише потрібної області спектра, і монтують в металевий або пластмасовий корпус, який обладнаний штирями або гнучкими висновками для включення в схему. Для проникнення світла корпус має віконечко, розташоване над напівпровідникових шаром. Для використання в мікросхемах, а також для випадків, коли пред'являються особливі вимоги до габаритів апаратури, фоторезистори випускають в бескорпусном виконанні. Конструкції фоторезистора забезпечують включення в ланцюг за допомогою притискних контактів (ФС-К0), за допомогою включення в звичайну панель (ФС-К1), за допомогою пайки (ФС-К7), наприклад, для включення в бруківку схему. Фоторезистори, призначені для застосування в умовах підвищеної вологості, мають герметичний корпус.

Матеріалом для фоторезисторів служать сульфід свинцю, сполуки сірчистого кадмію, вісмуту і т. П., Що мають властивості напівпровідників. Шар напівпровідника повинен бути тонким, щоб відносна зміна провідності було якомога більшою. Це пояснюється тим, що збільшення провідності відбувається лише в приповерхневих шарах, де відбувається поглинання світла, і на відстані не більше дифузійної довжини носіїв, куди дифундують звільнилися носії заряду. Напівпровідниковий шар фоторезистора виходить методом випаровування в вакуумі, пресування і спікання з напівпровідникового порошку тонких пластинок, хімічним охолодженням, виготовленням пластин з монокристала. Після осадження напівпровідникова пластинка обпалюється в повітрі або будь-якої іншої атмосфері, що містить кисень. Ця обробка впливає на характеристики фотоелемента. Від природи і характеру термообробки залежить спектральна чутливість фотоелемента. Для роботи в інфрачервоній області спектра призначені фоторезистори типу ФВА і ФСД, а для роботи в області видимого світла ФСК. Якщо фоторезистори необхідно ставити біля джерела світла, тоді використовуються фоторезистори, на напівпровідниковий шар яких падає лише відбите світло. Позначення фоторезисторов складається з букв ФС і СФ (фотосопротівленіе), за якими слід літера або цифра, що характеризують склад матеріалу напівпровідника і конструктивне оформлення (А - PbS, K - CdS, Г - герметизована конструкція).

Завдяки простоті і надійності, високої чутливості і малим розмірам фоторезистори знаходять широке і різноманітне застосування в самих різних областях техніки. Вони можуть використовуватися в якості фотоелектричних перетворювачів, вимірювальних пристроїв, фотоелектричних реле і регуляторів. Деякі фоторезистори (ФК-К0, ФС-К1, ФС-К6) володіють великою допустимою потужністю розсіювання (близько 10 - 30 Вт) і мають високу робочу напругу (понад 100 Вольт). Широке застосування знайшли фоторезистори в вимірювальних фотоелектричних пристроях, призначених для вимірювання інтенсивності і спектрального складу випромінювань, для вимірювання різних оптичних характеристик (коефіцієнтів відбиття, заломлення, оптичної щільності), для вимірювання деформацій, автоматичного зважування в потокової лінії та ін.


 Можна відзначити ще одну сферу застосування фоторезисторів -фотоелектріческіе перетворювачі в телевізійних передавальних трубках, фотоелектролюмінісцентние підсилювачі оптичних зображень, фотокомпенсаціонние вузли підсилювачів і стабілізаторів постійного струму і ін.

До числа переваг фоторезисторів можна віднести високу інтегральну чутливість, що перевищує чутливість деяких вакуумних фотоелементів в 105 раз, значна потужність розсіювання, завдяки чому можна управляти електричним колом потужністю в кілька ват, малі розміри і вага, великий термін служби, високу стабільність властивостей, простоту технології їх виготовлення.

Недоліками фоторезисторів є інерційність, температурна залежність, що обмежує експлуатацію фоторезисторов в широких інтервалах температур, нелінійна залежність фотоструму від інтенсивності опромінення, значний розкид параметрів у фоторезисторів одного і того ж типу.

термістори «-- попередня | наступна --» Фізичні основи роботи Магніторезістори
загрузка...
© om.net.ua