Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, провідність яких змінюється під дією світла.
Мал. 2.2. монокристалічний фоторезистор
Мал. 2.3. плівковий фоторезистор
Мал. 2.4. Включення фоторезистора в ланцюг постійного струму
Конструкція монокристалічного і плівкового фоторезисторів показана на рис. 2.2, 2.3. Основним елементом фоторезистора є в першому випадку монокристал, а в другому - тонка плівка напівпровідникового матеріалу.
Якщо фоторезистор включений послідовно з джерелом напруги (рис. 2.4) і не освітлений, то в його ланцюзі буде протікати темнової струм:
де Е - ЕРС джерела живлення;
RT - величина електричного опору фоторезистора в темряві, звана темнова опором;
RH - опір навантаження.
При висвітленні фоторезистора енергія фотонів витрачається на переклад електронів в зону провідності. Кількість вільних електронно-доручених пар зростає, опір фоторезистора падає, і через нього тече світловий струм, обумовлений формулою:
Різниця між світловим і темнова струмом дає значення струму 1ф, що отримав назву первинного фотоструму провідності
Коли променистий потік малий, первинний фотострум провідності практично безінерційна і змінюється прямо пропорційно величині променевого потоку, падаючого на фоторезистор. У міру зростання величини променевого потоку збільшується число електронів провідності. Рухаючись всередині речовини, електрони зіштовхуються з атомами, іонізують їх і створюють додатковий потік електричних зарядів, що отримав назву вторинного фотоструму провідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рух електронів провідності. В результаті цієї зміни фотоструму запізнюються в часі щодо змін світлового потоку, що визначає деяку інерційність фоторезистора.
Основні характеристики фоторезисторів
Фоторезистор (від фото- і резистор), являє собою напівпровідниковий резистор, омічний опір визначається ступенем освітленості. В основі принципу дії фоторезисторів лежить явище фотопровідності напівпровідників. Фотопроводимость - збільшення електричної провідності напівпровідника під дією світла. Причина фотопроводимости - збільшення концентрації носіїв заряду - електронів в зоні провідності і дірок у валентній зоні. Світлочутливий шар напівпровідникового матеріалу в опорах поміщений між двома струмопровідними електродами. Під впливом світлового потоку електричне опір шару змінюється в кілька разів (у деяких типів фотосопротивлений воно зменшується на два-три порядки). Залежно від застосовуваного шару напівпровідникового матеріалу фотосопротивления підрозділяються на сірчистої-свинцеві, сірчистої-кадмієві, сірчистої-вісмутові і полікристалічні селено-кадмієві. Фотосопротивления мають високу чутливість, стабільністю, вони економічні і надійні в експлуатації. В цілому ряді випадків вони з успіхом замінюють вакуумні та газонаповнені фотоелементи.
Основні характеристики фотосопротивлений:
• Темновое опір (опір в повній темряві), варіюється в звичайних приладах від 1000 до 100000000 Ом.
де Ai - фотоструму, що дорівнює різниці струмів в темряві і на світлі; Ф - світловий потік; U - прикладена напруга.
• Гранична робоча напруга (як правило від 1 до 1000 В).
• Середнє відносне зміна опору у відсотках (зазвичай лежить в межах 10 ... 99,9%):
де RT і Rc - опір в темряві і в освітленому стані відповідно.
• Середня кратність зміни опору (як правило від 1 до 1000). Визначається співвідношенням: RT / RC.
Схема включення фоторезисторів показана на рис. 2.5.
При певному освітленні опір фотоелемента зменшується, а, отже, сила струму в ланцюзі зростає, досягаючи значення, достатнього для роботи будь-якого
Мал. 2.5. Електрична схема включення фоторезистора
Мал. 2.6. ВАХ фоторезистора
пристрою (схематично показано як деякого опору навантаження). Корисний сигнал для подальшого посилення або управління іншими пристроями знімають паралельно RHarp.
Основними характеристиками фоторезисторів є:
• Вольт-амперна (ВАХ), що характеризує залежність фотоструму (при постійному світловому потоці Ф) або темнового струму від прикладеної напруги. Для фоторезисторів ця залежність практично лінійна (рис. 2.6). Закон Ома порушується тільки при високих напругах, доданих до фоторезистору.
Світлова (люкс-амперна), що характеризує залежність фотоструму від падаючого світлового потоку постійного спектрального складу. Напівпровідникові фоторезистори мають нелінійну люкс-амперна характеристику (рис. 2.7). Найбільша чутливість виходить при малих освітленості. Це дозволяє використовувати фоторезистори для вимірювання дуже малих інтенсивностей випромінювання. При збільшенні освітленості світловий струм зростає приблизно пропорційно кореню квадратному з освітленості. Нахил люкс-амперної характеристики залежить від прикладеної до фоторезистору напруги.
Рис, 2.7. Залежність струму від світлового потоку, що падає на робочу поверхню фоторезистора
Мал. 2.8. Залежність спектральної характеристики від матеріалу фоторезистора
Мал. 2.9. Залежність фотоструму фоторезистора від частотної модуляції світлового потоку
• Спектральна, що характеризує чутливість фоторезистора при дії на нього потоку випромінювання постійної потужності певної довжини хвилі. Спектральна характеристика визначається матеріалом, використовуваним для виготовлення світлочутливого елементу. Сірчистої-кадмієві фоторезистори мають високу чутливість у видимій області спектра, селенистий-кадмієві - у червоній, а сірчистої-свинцеві - в інфрачервоній. Це добре демонструє рис. 2.8.
Частотна, що характеризує чутливість фоторезистора при дії на нього світлового потоку, що змінюється з певною частотою. Наявність інерційності у фоторезисторів призводить до того, що величина їх фотоструму залежить від частоти модуляції падаючого на них світлового потоку - зі збільшенням частоти світлового потоку фотоструму зменшується (див. Рис. 2.9). Інерційність обмежує можливості застосування фоторезисторів при роботі зі змінними світловими потоками високої частоти.
Робоча напруга Up - постійна напруга, прикладена до фоторезистори, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах.
Максимально допустима напруга фоторезистора Umax - максимальне значення постійної напруги, прикладеної до фоторезистору, при якому відхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує зазначених меж при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах.
Темновое опір RT - опір фоторезистора за відсутності падаючого на нього випромінювання в діапазоні його спектральної чутливості.
Світлове опір Rc - опір фоторезистора, виміряний через певний інтервал часу після початку впливу випромінювання, що створює на ньому освітленість заданого значення.
Кратність зміни опору KR - відношення тем- нового опору фоторезистора до опору при певному рівні освітленості (світловому опору).
Допустима потужність розсіювання - потужність, при якій не наступає незворотних змін параметрів фоторезистора в процесі його експлуатації.
Загальний струм фоторезистора - струм, що складається з темнового струму і фотоструму.
Фотострум - струм, що протікає через фоторезистор при зазначеному напрузі на ньому, обумовлений тільки впливом потоку випромінювання з заданим спектральним розподілом.
Питома чутливість - відношення фотоструму до твору величини падаючого на фоторезистор світлового потоку на прикладена до нього напруга, мкА / (лм-В):
де 1ф - фотоструму, що дорівнює різниці струмів, що протікають по фоторезистори в темряві і при певній (200 лк) освітленості, мкА;
Ф - падаючий світловий потік, лм; U - напруга, прикладена до фоторезистори, В.
Інтегральна чутливість - добуток питомої чутливості на граничне робоча напруга:
Постійна часу тф - час, протягом якого фото- струм змінюється на 63%, тобто в е раз. Постійна часу характеризує інерційність приладу і впливає на вигляд його частотної характеристики.
Мал. 2.10. Ілюстрація наростання і спаду фотоструму в залежності від освітленості фоторезистора
При включенні і виключенні світла фотоструму зростає до максимуму (рис. 2.10) і спадає до мінімуму не миттєво. Характер і тривалість кривих наростання і спаду фотоструму в часі суттєво залежать від механізму рекомбінації нерівноважних носіїв у даному матеріалі, а також від величини інтенсивності світла. При малому рівні інжекції наростання і спад фотоструму в часі можна представити експонентами з постійною часу т, що дорівнює часу життя носіїв в напівпровіднику. В цьому випадку при включенні світла фотоструму буде наростати і спадати в часі за законом:
де 1ф - стаціонарне значення фотоструму при освітленні.
По кривим спаду фотоструму в часі можна визначити час життя т нерівноважних носіїв.
Як матеріали для фоторезисторів широко використовуються сульфіди, селеніди і теллуріди різних елементів, а також з'єднання типу AlM Bv. В інфрачервоній області можуть бути використані фоторезистори на основі PbS, PbSe, PbTe, InSb, в області видимого світла і ближнього спектра ультрафіолету - CdS.
Сьогодні фоторезистори широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки. Це пояснюється їх високою чутливістю, простотою конструкції, малими габаритами і значною допустимої потужністю розсіювання. Значний інтерес представляє використання фоторезисторів в опто- електроніці. У радіоаматорських конструкціях фоторезистори застосовуються як світлові датчики в пристроях стеження і автоматики, автоматичних і фотореле в побуті, в охоронних системах.
Реєстрація оптичного випромінювання
Для реєстрації оптичного випромінювання його світлову енергію перетворюють в електричний сигнал, який потім вимірюють звичайним способом. При цьому перетворенні зазвичай використовують такі фізичні явища:
• генерацію рухомих носіїв в твердотільних фотопрово- дящих детекторах;
• зміна температури термопар при поглинанні випромінювання, що приводить до зміни термо-ЕРС;
• емісію вільних електронів в результаті фотоелектричного ефекту з фоточутливих плівок.
Найбільш важливими типами оптичних детекторів є:
Схема включення напівпровідникового фотодетектора наведена на рис. 2.11.
Мал. 2.11. Схема підключення напівпровідникового фотоелемента
Напівпровідниковий кристал послідовно з'єднаний з резистором R і джерелом постійної напруги U. Оптична хвиля, яку потрібно зареєструвати, падає на кристал і поглинається їм, порушуючи при цьому електрони в зону провідності (або в напівпровідниках р-типу - дірки в валентну зону). Таке порушення призводить до зменшення опору Rd напівпровідникового кристала і, отже, до збільшення падіння напруги на опорі R, яке при ARd / Rd «1 пропорційно щільності падаючого потоку. Як приклад розглянемо енергетичні рівні одного з найбільш поширених напівпровідників - германію, легованого атомами ртуті. Атоми Нд в германии є акцепторами з енергією іонізації 0,09 еВ. Отже, для того щоб підняти електрон з верхнього рівня валентної зони і щоб атом Нд (акцептор) зумів захопити його, необхідний фотон з енергією не менше 0,09 еВ (тобто фотон з довжиною хвилі коротше 14 мкм). Зазвичай кристал германію містить невелику кількість ND донорних атомів, яким при низьких температурах енергетично вигідно віддавати свої валентні електрони великої кількості NA акцепторних атомів. При цьому виникає рівну кількість позитивно іонізованих донорних і негативно іонізованих акцепторних атомів. Так як концентрація акцепторів NA »ND. більшість атомів-акцепторів залишається незарядженим.
Головною перевагою напівпровідникових фотодетекторів в порівнянні з фотоумножителями є їх здатність реєструвати довгохвильове випромінювання, оскільки створення рухливих носіїв в них не пов'язане з подоланням значного поверхневого потенційного бар'єру.
Недоліком же їх є невелике посилення по току. Щоб вихідний імпульс міг управляти різними електронними системами, його необхідно багаторазово посилити. Таким підсилювачем може бути одно-двохкаскадний транзисторний підсилювач або операційний підсилювач. Щоб ФОТОЗБУДЖЕНОГО носії не маскувався тепловим збудженням, напівпровідникові фотодетектори не повинні експлуатуватися в умовах високих температур, інакше їх необхідно охолоджувати.
Температурні датчики, загальні відомості
В основі роботи будь-яких температурних датчиків, що використовуються в системах автоматичного управління, лежить принцип перетворення вимірюваної температури в електричну величину. Це обумовлено наступними причинами: електричні величини зручно передавати на значну відстань, .......
Дуже простий, але чутливий акваріумний термометр
Для контролю температури у водному середовищі акваріума зручно застосовувати чутливий перетворювач, схема якого представлена на рис. 3.24. Інтегральний таймер КР1006ВІ1 в режимі самозбуджується мультивибратора можна застосувати для генерації прямокутного напруги ...... ..
У радіоаматорського практиці популярні прості і надійні пристрої - датчики, що реагують на зміну будь-яких параметрів на вході. Одним з таких пристроїв є наведена на рис. 3.51 схема, що реагує на підвищення .......
Універсальні фотодатчики - свіже рішення
Фотодатчики і реалізовані на їх основі електронні пристрої, що керують різними побутовими приладами, давно популярні серед радіоаматорів. Здавалося б, неможливо вже знайти що-небудь нове в схемном вирішенні для таких пристроїв. Тим .......