Фоторезисторы

Фоторезисторы


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

Принцип деяния фоторезистора основан на образовании допол-нительного количества подвижных носителей заряда в итоге поглощения полупроводником лучистой энергии, вследствие чего миниатюризируется его сопротивление, т.е. появляется дополнительная электропроводность, именуемая фотопроводимостью полупроводника. Если освещать поверхность полупроводника безпрерывно, то число дополнительных носителей заряда будет возрастать до пришествия динамического равновесия, когда число вновь показавшихся носителей будет равно числу рекомбинировавших. После прекращения освещения лишниие носители рекомбинируют вместе и восстанавливается прежняя величина проводимости, соответствующая для не облучаемого элемента.

Концентрация носителей заряда, возбужденных светом, определяется выражением



nф = b1,……….……………….7.1.1

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

nф = b2Ф. …………………………7.1.2

Выражение для фотопроводимости имеет вид:

sф = еnфm. ……………………..…7.1.3

С энергетической точки зрения повышение проводимости полупроводников разъясняется переходом электронов под действием света из валентной зоны в зону проводимости и другими переходами (рис 7.1.1). При всем этом энергия фотонов hn должна быть больше энергии нелегальной зоны ΔЕ . Валентные электроны, переходя в свободную зону, оставляют на собственном месте дырку. Эти дополнительные носители заряда определенное время находятся в свободном состоянии, а потом рекомбинируют, т.е. перебегают или в валентную
зону, или на примесные уровни. Но часть фотонов, поглощенных поверхностью полупроводника, рассеивается в кристаллической решетке, повышая интенсивность термического движения. Для получения фототока нужно в цепи поочередно с фоторезистором включить сторонний источник Э.Д.С. Выражение для фототока можно записать в виде

Iф = sфES,…………………………7.1.4

где sф –фотопроводимость, E- напряженность электронного поля, S - площадь сечения полупроводника. Разность Iф меж световым током Iсв и темновым IТ:

IФ = Iст - Iт ………………………..7.1.5

Темновой ток является одним из характеристик фоторезистора. Время от времени более комфортно воспользоваться понятием темновое сопротивление, которое определяется как сопротивление неосвещенного фоторезистора. Для большинства фоторезисторов указывается нижний предел темнового сопротивления. Обычно величина темнового сопротивления находится в границах от 10-ов килоом до нескольких мегаом.

Для переноса электрона из валентной зоны в зону проводимости нужно сказать ему определенную энергию. В связи с тем, что разные материалы имеют различную ширину нелегальной зоны, для фоторезистора существует пороговая длина волны, разная для разных материалов. К примеру, ширина нелегальной 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 существенно наименьшая энергия (наименее 0.1 эВ) и соответственно воздействие светом существенно большей длины волны (инфракрасная область). Потому обычно наблюдаются несколько максимумов: основной коротковолновый и поболее слабенькие длинноволновые, обусловленные возбуждением электронов примесных центров, межпримесными переходами, поглощением свободными носителями, экситонным поглощением и т.д.


Вольтамперные свойства фоторезистора линейны в границах очень допустимой мощности рассеяния на их. При большенном напряжении на фоторезистор вследствие лишнего нагрева его происходит разрушение светочувствительного слоя.


Загрузка...

Вольтамперные свойства в общем случае могут быть записаны в виде

Iсв=АоEa Ug,……………………………7.1.6

где a - коэффициент нелинейности световой свойства, g - коэффициент нелинейности вольтамперной свойства, Ао - неизменная, определяющаяся параметрами полупроводника, U - приложенное напряжение, Е - освещенность.

Световые (энерго) свойства фоторезистора (рис.7.1.2) обычно нелинейны. Особенностью световых черт является наличие темнового тока, т.е. тока, протекающего через фоторезистор при отсутствии освещенности (в мгле). В определенном интервале освещенности световая черта может быть аппроксимирована выражением

Iсв=Aо Ug Фa ……………………………7.1.7

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

Кф, мА/лм = Iф/Ф = (Iсв-Iт)/Ф, ………………7.1.8

где Ф - световой поток, определяемый из выражения

Ф, лм =SE; …………………….…..7.1.9

S - рабочая площадь фоторезистора в м2; Е – освещенность в лк.

Интегральная чувствительность фоторезистора очень находится в зависимости от температуры. При увеличении температуры интегральная чувствительность резко понижается, т.к. возрастает сбалансированная концентрация носителей заряда и возможность рекомбинации лишних носителей, возникающих при освещении, что приводит к уменьшению фототока.

Повышение концентрации носителей с ростом температуры приводит к возрастанию темнового тока. В связи с этим в ряде всевозможных случаев, где требуется высочайшая чувствительность, применяется остывание фоторезистора. Интегральная чувствительность фоторезистора добивается величины 4 А/лм.

Ввиду того, что зависимость меж 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:

К0=Кф/U=Iф/ФU……..…………………7.1.10

Таким макаром, удельная чувствительность падает с повышением светового потока. Время от времени для свойства чувствительности фоторезистора комфортно воспользоваться относительным конфигурацией сопротивлений

DR/Rт=(Rт-Rсв)/Rт ………………………7.1.11

либо параметром кратности конфигурации сопротивления, представляющим из себя отношение темнового сопротивления к сопротивлению при освещенности Rт/Rсв, где Rт - темновое сопротивление; Rсв - сопротивление при освещенности Е.

Разумеется, что кратность конфигурации сопротивления с повышением освещенности увеличивается, т.к. сопротивление Rсв миниатюризируется, а Rт остается без конфигураций. Потому значение кратности указывается при определенной освещенности. К примеру, при освещенности в 200 лк кратность конфигурации сопротивления для сернисто-свинцовых фоторезисторов составляет единицы, а для сернисто-кадмиевых добивается 105.Спектральная чувствительность фоторезистора определяется величиной фототока либо фотопроводимости при освещении его единицей светового потока определенной длины волны. На рис.7.1.3 приведены спектральные свойства сернисто-кадмиевых фоторезисторов. Максимум приходится на длину волны подобающую энергии, нужной для перевода электронов в зону проводимости. Если проводник легирован примесями, то каждой примеси на графике будет соответствовать собственный максимум.

Потому, к примеру, сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют максимум чувствительности в красноватой и ближней инфракрасной области диапазона, сернисто-свинцовые – в инфракрасной. Так как для многих полупроводников ширина максимума значительна, то чувствительность большинства фоторезисторов довольно высока в широком спектре длин волн (фактически от инфракрасной области диапазона до рентгеновских лучей.)


При увеличении температуры вид спектральной свойства изменяется. Она может сдвигаться как в длинноволновую, так и в коротковолновую область диапазона. Это разъясняется тем, что ширина нелегальной зоны может возрастать, а может уменьшаться с конфигурацией температуры.

Пороговая чувствительность охарактеризовывает малый световой поток, создающий в цепи фоторезистора электронный сигнал, обычно 2-3 раза превосходящий напряжение шума фоторезистора.

С снижением температуры пороговая чувствительность увеличивается. Потому для заслуги высочайшего порога чувствительности используют глубочайшее остывание фоторезистора. Остывание осуществляется криогенными жидкостями либо охлаждающими устройствами. Но следует учесть, что при охлаждении миниатюризируется ширина нелегальной зоны и происходит сдвиг максимума спектральной чувствительности в длинноволновую область диапазона.

Как было уже отмечено, фототок добивается собственного наибольшего значения только через некое время после начала облучения. Точно так же после прекращения освещенности фототок закончится только через некое время. Таким макаром, фототок не успевает следовать за конфигурацией освещенности. Это разъясняется конечным временем нарастания и спада концентрации лишних носителей, которое определяется временем жизни неосновных носителей в данном полупроводниковом материале. В свою очередь время жизни неосновных носителей связано с наличием огромного количества ловушек в поликристаллическом полупроводнике. Ловушки захватывают носители тока при включении света и высвобождают их после выключения.

Инерционность фоторезистора охарактеризовывает неизменная времени τ, за какую фототок уменьшится в е раз после моментального затемнения фотосопротивления. Инерционность фоторезистора сказывается, когда на него падает модулированный световой поток. При всем этом с повышением частоты модуляции сила фототока будет понижаться. Неизменная времени фоторезистора добивается величины 10-7 с (для сернисто-свинцовых фоторезисторов). Более инерционны сернисто-кадмиевые фоторезисторы. С повышением освещенности и температуры неизменная времени миниатюризируется. Для фоторезисторов типично, что фронт и спад фототока могут значительно отличаться.

Термические характеристики фоторезистора определяет температурный коэффициент фототока (ТКФ), выраженным в % / оС. Величина ТКФ определяется из температурной зависимости фототока при определенном напряжении и освещенности.

К очень допустимым режимам фоторезистора относится: Uмах - наибольшее рабочее напряжение, при котором не происходит необратимых конфигураций в структуре фоторезистора; Pмах - наибольшая мощность рассеяния, при которой фоторезистор остается работоспособным в течение гарантированного срока службы. Превышение мощности рассеяния приводит к превышению допустимой температуры и необратимым изменениям параметров фоторезисторов. С повышением температуры среды очень допустимая мощность понижается по линейному закону.

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

Разглядим устройство фоторезистора (рис.7.1.4). На диэлектрическую подложку из стекла, слюды, керамики 1 наносится слой металла - золота, серебра либо платины. В железном слое прорезают щель для разделения на два электрически изолированных электрода 2. Потом на поверхность металла наносится слой полупроводника 3. Для защиты от наружных воздействий фотоэлемент покрывают слоем лака либо эпоксидки 4, пропускающим свет только подходящей области диапазона, и монтируют в железный либо пластмассовый корпус, который оборудован штырьками либо гибкими выводами для включения в схему. Для проникания света корпус имеет окошечко, расположенное над полупроводниковым слоем. Для использования в микросхемах, также для случаев, когда предъявляются особенные требования к габаритам аппаратуры, фоторезисторы выпускают в бескорпусном выполнении. Конструкции фоторезистора обеспечивают включение в цепь при помощи прижимающих контактов (ФС-К0), средством включения в обыденную панель (ФС-К1), средством пайки (ФС-К7), к примеру, для включения в мостовую схему. Фоторезисторы, созданные для внедрения в критериях завышенной влажности, имеют герметичный корпус.


Материалом для фоторезисторов служат сульфид свинца, соединения сернистого кадмия, висмута и т.п., владеющие качествами полупроводников. Слой полупроводника должен быть узким, чтоб относительное изменение проводимости было как можно огромным. Это разъясняется тем, что повышение проводимости происходит только в приповерхностных слоях, где происходит поглощение света, и на расстоянии менее диффузионной длины носителей, куда диффундируют освободившиеся носители заряда. Полупроводниковый слой фоторезистора выходит способом испарения в вакууме, прессования и спекания из полупроводникового порошка тонких пластинок, хим остыванием, созданием пластинок из монокристалла. После осаждения полупроводниковая пластинка обжигается в воздухе либо какой-нибудь другой атмосфере, содержащей кислород. Эта обработка оказывает огромное воздействие на свойства фотоэлемента. От природы и нрава термической обработки зависит спектральная чувствительность фотоэлемента. Для работы в инфракрасной области диапазона предусмотрены фоторезисторы типа ФСА и ФСД, а для работы в области видимого света ФСК. Если фоторезисторы нужно устанавливать поблизости источника света, тогда употребляются фоторезисторы, на полупроводниковый слой которых падает только отраженный свет. Обозначение фоторезисторов состоит из букв ФС и СФ (фотосопротивление), за которыми следует буковка либо цифра, характеризующие состав материала полупроводника и конструктивное оформление (А - PbS, K - CdS, Г - герметизированная конструкция).

Благодаря простоте и надежности, высочайшей чувствительности и малым размерам фоторезисторы находят обширное и различное применение в самых разных областях техники. Они могут употребляться в качестве фотоэлектрических преобразователей, измерительных устройств, фотоэлектрических реле и регуляторов. Некие фоторезисторы (ФК-К0, ФС-К1, ФС-К6) владеют большой допустимой мощностью рассеяния (порядка 10 - 30 Вт) и имеют высочайшее рабочее напряжение (выше 100 Вольт). Обширное применение отыскали фоторезисторы в измерительных фотоэлектрических устройствах, созданных для измерения интенсивности и спектрального состава излучений, для измерения разных оптических черт (коэффициентов отражения, преломления, оптической плотности), для измерения деформаций, автоматического взвешивания в поточной полосы и др.


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

К числу преимуществ фоторезисторов можно отнести высшую интегральную чувствительность, превосходящую чувствительность неких вакуумных фотоэлементов в 105 раз, значимая мощность рассеяния, по этому можно управлять электронной цепью мощностью в несколько ватт, малые размеры и вес, большой срок службы, высшую стабильность параметров, простоту технологии их производства.

Недочетами фоторезисторов являются инерционность, температурная зависимость, ограничивающая эксплуатацию фоторезисторов в широких интервалах температур, нелинейная зависимость фототока от интенсивности облучения, значимый разброс характеристик у фоторезисторов 1-го и такого же типа.




Возможно Вам будут интересны работы похожие на: Фоторезисторы:


Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Похожый реферат

Cпециально для Вас подготовлен образовательный документ: Фоторезисторы