Основные теоретические сведения. В настоящее время широко распространены различные типы фотоэлектрических приборов, одним из которых является фоторезистор - непроволочный полупроводниковый

В настоящее время широко распространены различные типы фотоэлектрических приборов, одним из которых является фоторезистор - непроволочный полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием оптического излучения. К оптическому диапазону излучения относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения с длиной волны от десятков нанометров до десятых долей миллиметра.

Работа фоторезисторов основана на явлении внутреннего фотоэффекта (фотопроводимости) в полупроводниках.

Под внутренним фотоэффектом понимают переход электронов в полупроводнике из связанных состояний (из валентной зоны) в свободные (в зону проводимости) под действием оптического излучения. Результатом внутреннего фотоэффекта является возрастание концентрации в полупроводниках свободных носителей заряда (электронов) и, как следствие, уменьшение активного сопротивления.

Внутренний фотоэффект происходит при частоте, превышающей или равной значению, которую называют " красной границей" внутреннего фотоэффекта:

(1)

где - энергия электромагнитного излучения, необходимая для перехода электрона из связанного состояния в свободное;

- постоянная Планка.

По своему устройству и технике применения фоторезисторы являются простейшими из фотоэлектрических приборов и в зависимости от типа и назначения имеют самые разнообразные конструктивные решения. На рис. 1 схематически показано устройство фоторезистора. Пластина или пленка фоточувствительного полупроводникового материала 2 закреплена на подложке 1 из непроводящего материала - стекла, керамики или кварца. В зависимости от применяемого слоя полупроводникового материала фоторезисторы подразделяются на сернистосвинцовые, сернистокадмиевые, сернисто-висмутовые и поликристаллические селено - кадмиевые. В качестве электродов 3 используют металлы, не подвергающиеся коррозии (серебро, золото, платина). Для защиты от внешних воздействий поверхность фоточувствительного элемента 2 фоторезистора покрывают слоем прозрачного лака 4. Фоторезистор включается в цепь последовательно с управляемым устройством (R_н) и источником электроэнергии (рис. 2).

К достоинствам фоторезисторов можно отнести: высокую чувствительность; небольшие габариты; возможность работы в цепях постоянного и переменного токов и в инфракрасной области спектра излучения. В ряде случаев ток, протекающий через фоторезистор можно использовать непосредственно без применения промежуточного усиления для приведения в действие исполнительного механизма. Это является существенным преимуществом фоторезистора перед другими типами фотоэлектрических приборов.

Однако, при освещении фоторезистора ток в нем достигает своего конечного значения лишь спустя некоторый промежуток времени, а при затемнении фоторезистора он уменьшается с некоторым запозданием - фоторезисторы обладают заметной инерционностью, поэтому для регистрации кратковременных световых импульсов они не годятся.

К основным параметрам фоторезисторов относятся: темновое сопротивление, темновой ток, световой ток, фототок, интегральная чувствительность, рабочее напряжение, и т.д.

Темновое сопротивлением R_Т - сопротивление фоторезистора, который не освещен. В этих условиях в цепи с фоторезистором под действием напряжения U источника электроэнергии создается небольшой темновой ток:

(2)

Этот ток обусловлен наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.

При освещении фоторезистора сопротивление его уменьшается, и в цепи протекает ток, называемый световым:

(3)

Этот ток значительно больше темнового тока. Его возрастание происходит за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда в полупроводниковой пленке 2 (рис 1) вследствие внутреннего фотоэффекта.

Разность между световым и темновым токами называется фототоком:

(4)

Интегральная чувствительность определяется при воздействии на фоторезистор немонохроматического излучения.

Величина фототока, приходящаяся на единицу светового потока, называется интегральной чувствительностью (К) фоторезистора:

. (5)

Для измерения интегральной чувствительности фоторезистора принято использовать лампу накаливания с вольфрамовой нитью при температуре 2850 К. Обычно интегральная чувствительность фоторезисторов колеблется от 50 до 1200 мА/лм.

Рабочее напряжение - это максимально возможное напряжение, не приводящее к изменению других параметров фоторезистора в течение всего срока службы. Оно может быть в пределах от нескольких единиц вольт до 100 В.

Значения параметров фоторезисторов, как и любых полупроводниковых приборов, существенно зависят от температуры.

Для выбора типа и режима работы фоторезистора используют ряд его характеристик.

Вольт-амперная характеристика - показывает зависимость фототока от приложенного напряжения U при постоянном световом потоке ( при Ф=Const). Вольт-амперные характеристики большинства фоторезисторов линейны (рис. 3). Однако, в некоторых случаях при повышении напряжения линейность нарушается.

Световая характеристика - это зависимость фототока от светового потока (Ф) постоянного спектрального состава ( при U=Const) (рис.4). При малых значениях светового потока характеристику можно считать линейной, а при больших прямо пропорциональная зависимость нарушается.

Когда световой поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине светового потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины светового потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри полупроводника, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора и нелинейность световой характеристики.

Спектральная характеристика - это зависимость чувствительности фоторезистора от длины волны светового излучения. Фототок зависит от спектрального состава светового потока. Зависимость относительного значения фототока от длины волны излучения при постоянном световом потоке определяет спектральную характеристику фоторезисторов ( при Ф=Const), которая зависит от их материала. Путем соответствующего подбора последнего можно построить фоторезистор, чувствительный к любой части видимого спектра. Некоторые из фоторезисторов обладают большой чувствительностью к инфракрасной части спектра, что дает возможность использовать их для наблюдения и регистрации излучения слабо нагретых тел.