принцип работы, где применяется и как выглядит

Фоторезисторы (фотоэлектрические приборы – это приборы, которые могут изменять свои технические характеристики под влиянием света. Нашли свое применение такие приборы во всей электрики и электронике. Их значение переоценить крайне сложно. Сам термин фоторезистор говорит за себя. Они изменяют сопротивление под влиянием светового потока. Такой резистор может иметь номинальное сопротивление 1-200 ОМ, но на свету, оно может уменьшиться в десятки и даже сотни раз.

Основное преимущество этих радиодеталей – зависимость сопротивления от степени освещения. Именно поэтому их можно использовать в различных датчиках или измерителях освещенности. Но есть и ряд недостатков – с ними не удобно работать по причине высокого сопротивления.

В данной статье будут рассмотрены все характеристики и особенности фоторезисторов, а также приведены все необходимые расчеты. В качестве бонуса, в статье содержится видеоролик и скачиваемый файл, где содержится интересная дополнительная информация.

Простые фоторезисторы.

Как работает фоторезистор

В полной темноте, сопротивление этих радио компонентов огромное, может доходить до десятков МОм, но как только элемент подвергается воздействию света, его сопротивление резко снижается до долей Ома.

Фоторезисторы (ФР) обладают высокой чувствительностью в достаточно широком диапазоне (от инфракрасного до рентгеновского спектра), которая и зависит от длины волны светового потока. Эти радио компоненты все еще применяются во многих электронных устройствах благодаря их высокой стабильности во времени, малым размерам и богатым номиналам сопротивлений.

Их обычно изготавливают в пластиковом корпус с прозрачным окном и двумя внешними выводами, полярность подсоединения разницы не играет. Фоторезистор – это датчик (преобразователь), электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности поступающего на него светового потока. Чем он сильнее, тем больше генерируется свободных носителей зарядов (электронов) и тем ниже сопротивление фоторезистора.

Два внешних металлических вывода этого датчика идут через керамический материал основания к специальной светочувствительной пленке, которая по свойству материал и своей геометрии задает электрические свойства сопротивления фоторезистора. Так как фоточувствительное вещество по своей природе с достаточно большим внутренним сопротивлением, то между обоими выводами с тонкой дорожкой, при средней световой интенсивности, получается низкое общее сопротивление фоторезистора. По аналогии с человеческим глазом, фоторезистор чувствителен к определенному интервалу длины световой волны. При выборе датчика приходится обращать на это пристольное внимание, т.к иначе он может совсем не среагировать на источник света.

У фоторезисторов обязательным параметром задается и температурный диапазон. Если использовать преобразователь при отличающихся температурах, то нужно обязательно добавить уточняющие преобразования, т.к. свойство сопротивления этого фотоэлемента зависит от температуры. Для характеристики интенсивности света применяют специальную величину называемую освещенность (E). Она показывает количество светового потока, который достигнет определенной поверхности. Для измерения единицы в системе СИ применяется физическая люкс (лк), где один люкс означает, что на поверхность размером один метр в квадрате равномерно падает поток света освещенностью в один люмен (лм). В реальных условиях световой поток практически никогда не падает равномерно на поверхность, поэтому освещенность получается несколько большей в среднем значении.

Интересно почитать: принцип действия и основные характеристики варисторов.

По сути это обычный транзистор, но без крышки в буквальном смысле. Крышка, закрывающая кристалл прибора, конечно, есть, но она выполнена из прозрачного материала и видимый свет может попадать на кристалл. Подавая на базу некоторое напряжение, можно управлять сопротивлением перехода эмиттер-коллектор. Но оказывается, сопротивлением перехода можно управлять и обычным светом.

Фототранзистор – это обычный транзистор, который имеет еще одну, дополнительную «базу» – световую. Освещаем – открываем транзистор. В таком включении вывод базы фототранзистора можно вообще не использовать – его роль выполняет свет.

Виды и принцип работы, обозначение на схемах

В зависимости от материалов, используемых во время изготовления на производстве все, фоторезисторы можно условно разделить на две большие группы: с внутренним и внешним фотоэффектом.

В производстве элементов с внутренним фотоэффектом и применяют нелегированные материалы, например германий или кремний. Фотоны, попадающие на фоторезистор, заставляют электроны двигаться из валентной в зону проводимости.

Благодаря этому возникает огромное число свободных электронов, тем самым резко возрастает электропроводность и, поэтому, снижается сопротивление. Фоторезистор с внешним фотоэффектом изготавливают из материалов, с добавлением примесей легирующей добавки, которая создает новую энергетическую зону поверх имеющейся валентной, богатую электронами.

Кроме того, электронам новой зоны необходимо на порядок меньше энергии, чтобы перейти в зону проводимости благодаря более низкой энергетической щели. Поэтому фоторезисторы с внешним фотоэффектом гораздо более чувствительны к различным длинам светового спекира волн.

Фоторезистор на схемах обозначается также как и обычный резистор, но с добавление двух стрелочек, которые направлены к прямоугольнику. В качестве материалов для фоторезисторов широко используются сульфиды, селениды и теллуриды различных элементов, а также соединения типа A_lMB_v. В инфракрасной области могут быть использованы фоторезисторы на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и ближнего спектра ультрафиолета — CdS.

Сегодня фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в опто- электронике. В радиолюбительских конструкциях фоторезисторы применяются как световые датчики в устройствах слежения и автоматики, автоматических и фотореле в быту, в охранных системах.

Чувствительность и инертность фоторезистора

Чувствительность фоторезистора зависит от длины световой волны. Если длина волны лежит вне рабочего диапазона, то свет не оказывает никакого воздействия на ФР. Можно сказать, что фоторезистор не чувствителен в этом диапазоне длин волн. Эти радио компоненты обладают более низкой чувствительность, чем фототранзисторы и фотодиоды.

Еще одна важная характеристика фоторезистора называется инертность, ее физический смысл состоит в том, что имеется определенная инертность (или проще понять – время задержки) между изменениями в освещении и последующим изменением сопротивления. Для того чтобы сопротивление снизилось до минимально возможного значения при полном освещении требуется около 10 мс, и около одной секунды понадобится для того, чтобы сопротивление возросло до максимума после затемнения этого-же компонента.

Чувствительность и инертность фоторезистора.

Конструкция и применение

Современные фоторезисторы изготавливают из селенида свинца, сульфида свинца, антимонида индия, но чаще всего из селенида и сульфида кадмия и кадмия. Спектральная характеристика сульфида кадмия практически полностью совпадает с устройством человеческого глаза. Длина волны пиковой чувствительности – 560-600 нм, что соответствует видимой части спектра.

Для изготовления элемента из сульфида кадмия, высокоочищенный порошок смешивают с инертными связующими веществами. Затем, эту смесь спекают и прессуют. В вакуумной среде на основание с электродами наносят тонкий фоточувствительный слой в виде извилистой дорожки. Затем, основание помещается в прозрачную оболочку, для защиты фоточувствительного элемента. Основной областью применения этих радио элементов является автоматика, с помощью них можно создать простые и надежные схемы фотореле без использования токовых усилителей.

Такие фотореле применяются в системах управления и контроля. В измерительной технике фоторезисторы используются для измерения высоких температур в различных технологических процессах. У фоторезисторов обязательно определен и диапазон температуры. Если использовать датчик при разных температурах, то следует обязательно ввести уточняющие преобразования, т.к. свойство сопротивления зависит от внешней температуры.

Для характеристики интенсивности света используют физическую величину освещённость (обозначение E), что показывает количество светового потока, достигающего какой-либо поверхности. Для измерения единицы имеется люкс (лк), где 1 люкс означает, что на поверхность размером 1 m² равномерно падает световой поток в 1 люмен (лм). В реальной жизни свет практически никогда не падает на (жилую) поверхность равномерно и поэтому освещённость получается больше в среднем значении. Для сравнения приведены некоторые примеры освещённости:

Цвет волны и диапазон ее длины.

Основные характеристики фоторезисторов

Фоторезистор (от фото- и резистор), представляет собой полупроводниковый резистор, омическое сопротивление которого определяется степенью освещенности. В основе принципа действия фоторезисторов лежит явление фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость — увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света.

Причина фотопроводимости — увеличение концентрации носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Светочувствительный слой полупроводникового материала в таких сопротивлениях помещен между двумя токопроводящими электродами. Под воздействием светового потока электрическое сопротивление слоя меняется в несколько раз (у некоторых типов фотосопротивлений оно уменьшается на два-три порядка). В видеоролике ниже представлена подробная информация о фоторезисторах.

В зависимости от применяемого слоя полупроводникового материала фотосопротивления подразделяются на сернисто-свинцовые, сернисто-кадмиевые, сернисто-висмутовые и поликристаллические селено-кадмиевые. Фотосопротивления обладают высокой чувствительностью, стабильностью, они экономичны и надежны в эксплуатации. В целом ряде случаев они с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.

Материал в тему: описание и область применения подстроечного резистора.

Основные характеристики фотосопротивлений:

• Рабочая площадь.
• Темновое сопротивление (сопротивление в полной темноте), варьируется в обычных приборах от 1000 до 100000000 Ом.
• Удельная чувствительность

Световая (люкс-амперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люкс-амперную характеристику. Наибольшая чувствительность получается при малой освещенности. 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.

Расчет сопротивления

О взаимосвязи между освещенностью и электрическим сопротивлением фоторезистора дается приблизительная формула в спецификации датчика. Как видно на выше приведенном графике, на логарифмической шкале освещенность и сопротивление находятся приблизительно в линеарной зависимости и образуют прямое уравнение, потому что применяется следующее преобразование: log(a/b) = log(a) – log(b)

Связь характеризует γ фактор (ровный подъем), который у датчика VT935G равен 0,9. Известны так же данные одной точки линии: 18,5 kΩ сопротивление (R_A) 1 при 10 lx освещенности (E_A). Таким образом, имеются координаты 1 точки и ровный подъем и для вычисления любой другой точки хватит только одного координата.

Если измерить сопротивление датчика (R_B), то можно из уравнения линии вычислить освещенность (E_B) падающую на датчик. Выразим уравнение линии E_B:

log(E_B) = log(R_A/R_B) / γ + log(E_A)

E_B = 10^log(R_A^/R_B^{) / γ + log(E}_A⁾

Таким образом, имеется формула для вычисления освещения, если сопротивление известно. Сопротивление напрямую микроконтроллером измерить нельзя – для этого фоторезистор находится в делителе напряжения, выходное напряжение которого переводит аналогово-дигитальный преобразователь в конкретные числа (ADC). Для нахождения сопротивления, в первую очередь придется вычислить из значения ADC выходное напряжение (U₂), делителя напряжения, учитывая и сравниваемое напряжение (U_ref) преобразователя. Формула следующая:

U₂ = U_ref ⋅ (ADC / 1024)

Из формулы делителя напряжения (смотри главу делителя напряжения) можно найти в схеме верхнего фоторезистора сопротивление (R₁):

R₁ = (R₂ ⋅ U₁) / U₂ – R₂

Далее при вычислении напряжения и сопротивления известные факторы заменяются значениями и нижние индексы опущены:

U = 5 ⋅ (ADC / 1024)

R = (10 ⋅ 5) / U – 10

Для нахождения освещенности можно сделать упрощающие переводы:

E = 10^{log(18,5/R) / 0.9 + 1} = 10^{log(18,5/R) ⋅ 10/9} ⋅ 10¹ = 10^{log18,5 ⋅ 10/9 – logR ⋅ 10/9} ⋅ 10 = (10^{log18,5 ⋅ 10/9} / 10^{logR ⋅ 10/9}) ⋅ 10 =

= (18,5^10/9 / R^10/9) ⋅ 10 = 18,5^10/9 ⋅ 10 ⋅ R^-10/9

Вычислив постоянную находящуюся перед переменной R, остается формула в виде:

E = 255,84 ⋅ R^-10/9.

Главным преимуществом полупроводниковых фотодетекторов по сравнению с фотоумножителями является их способность регистрировать длинноволновое излучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано с преодолением значительного поверхностного потенциального барьера.

Недостатком же их является небольшое усиление по току. Чтобы выходной импульс мог управлять различными электронными системами, его необходимо многократно усилить. Таким усилителем может быть одно-двухкаскадный транзисторный усилитель или операционный усилитель. Чтобы фотовозбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы не должны эксплуатироваться в средах с высокими температурами, иначе их необходимо охлаждать.

Как вам статья?Poll Options are limited because JavaScript is disabled in your browser.

Более подробную информацию можно узнать, прочитав файл по данной теме что такое фоторезистор.Всю новую информацию по этой и многим другим темам, вы сможете найти в группе. Подписывайтесь на нашу группу в социальной сети «Вконтакте».

Для этого вам необходимо будет перейти по следующей ссылке https://vk.com/electroinfonet. Также в группе можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профи. В завершение объемной статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.texnic.ru

www.nauchebe.net

www.home.roboticlab.eu/ru

www.begin.esxema.ru

определение, виды, как работает и где используется

В статье расскажем про фоторезистор, его определение и виды, как он работает, преимущества и недостатки. А также познавательное видео, где подробно рассказывается про фоторезистор и где он используется.

Название фоторезистора представляет собой комбинацию слов: фотон (легкие частицы) и резистор. Фоторезистор — это тип резистора, сопротивление которого уменьшается при увеличении интенсивности света. Другими словами, поток электрического тока через фоторезистор увеличивается, когда интенсивность света увеличивается.

Фоторезисторы также иногда называют LDR (светозависимым резистором), полупроводниковым фоторезистором, фотопроводником или фотоэлементом. Фоторезистор меняет свое сопротивление только при воздействии света.

Как работает фоторезистор

Когда свет падает на фоторезистор, некоторые из валентных электронов поглощают энергию света и разрушают связь с атомами. Валентные электроны, которые разрушают связь с атомами, называются свободными электронами.

Когда энергия света, приложенная к фоторезистору, сильно увеличивается, большое количество валентных электронов получает достаточно энергии от фотонов и разрушает связь с родительскими атомами. Большое количество валентных электронов, которые нарушают связь с родительскими атомами, попадет в зону проводимости.

Электроны, присутствующие в зоне проводимости, не принадлежат ни одному атому. Следовательно, они свободно перемещаются из одного места в другое. Электроны, которые свободно перемещаются из одного места в другое, называются свободными электронами.

Когда валентный электрон покинул атом, в определенном месте атома, из которого вышел электрон, создается пустое место. Эта место называется дырой. Следовательно, свободные электроны и дырки генерируются в виде пар.

Свободные электроны, которые свободно перемещаются из одного места в другое, переносят электрический ток. Аналогичным образом, дырки, движущиеся в валентной зоне, переносят электрический ток. Аналогично, и свободные электроны, и дырки будут нести электрический ток. Количество электрического тока, протекающего через фоторезистор, зависит от количества генерируемых носителей заряда (свободных электронов и дырок).

Когда энергия света, приложенная к фоторезистору, увеличивается, число носителей заряда, генерируемых в фоторезисторе, также увеличивается. В результате электрический ток, протекающий через фоторезистор, увеличивается.

Увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. Таким образом, сопротивление фоторезистора уменьшается, когда интенсивность приложенного света увеличивается.

Фоторезисторы делаются из полупроводника с высоким сопротивлением, такого как кремний или германий. Они также сделаны из других материалов, таких как сульфид кадмия или селенид кадмия.

При отсутствии света фоторезисторы действуют как материалы с высоким сопротивлением, тогда как при наличии света фоторезисторы действуют как материалы с низким сопротивлением.

Советуем вам посмотреть лучшее видео на тему фоторезистора, в котором вы узнаете очень подробно принцип работы фоторезистора:

Типы фоторезисторов

Фоторезисторы делятся на два типа в зависимости от материала, из которого они изготовлены:

• Внутренний фотоэффект
• Внешний фотоэффект

Фоторезистор с внутренним фотоэффектом

Собственные фоторезисторы изготавливаются из чистых полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий. Внешняя оболочка любого атома способна содержать до восьми валентных электронов. Однако в кремнии или германии каждый атом состоит только из четырех валентных электронов. Эти четыре валентных электрона каждого атома образуют четыре ковалентных связей с соседними четырьмя атомами, чтобы полностью заполнить внешнюю оболочку. В результате ни один электрон не остается свободным.

Когда мы применяем световую энергию к фоторезистору с внутренним эффектом, только небольшое количество валентных электронов получает достаточно энергии и освобождается от родительского атома. Следовательно, генерируется небольшое количество носителей заряда. В результате через внутренний фоторезистор протекает только небольшой электрический ток.

Мы уже знали, что увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. В фоторезисторах с внутренним фотоэффектом сопротивление несколько уменьшается с увеличением энергии света. Следовательно, внутренние фоторезисторы менее чувствительны к свету. Поэтому они не надежны для практического применения.

Фоторезистор с внешним фотоэффектом

Фоторезисторы с внешним фотоэффектом изготовлены из внешних полупроводниковых материалов. Рассмотрим пример внешнего фоторезистора, изготовленного из комбинации атомов кремния и примеси фосфора.

Каждый атом кремния состоит из четырех валентных электронов, а каждый атом фосфора состоит из пяти валентных электронов. Четыре валентных электрона атома фосфора образуют четыре ковалентные связи с соседними четырьмя атомами кремния. Однако пятый валентный электрон атома фосфора не может образовывать ковалентную связь с атомом кремния, поскольку атом кремния имеет только четыре валентных электрона. Следовательно, пятый валентный электрон каждого атома фосфора освобождается от атома. Таким образом, каждый атом фосфора генерирует свободный электрон.

Свободный электрон, который генерируется, сталкивается с валентными электронами других атомов и делает их свободными. Аналогичным образом, один свободный электрон генерирует несколько свободных электронов. Следовательно, добавление небольшого количества примесных (фосфорных) атомов генерирует миллионы свободных электронов.

В внешних фоторезисторах у нас уже есть большое количество носителей заряда. Следовательно, обеспечение небольшого количества световой энергии генерирует еще большее количество носителей заряда. Таким образом, электрический ток быстро увеличивается.

Увеличение электрического тока означает снижение сопротивления. Следовательно, сопротивление внешнего фоторезистора быстро уменьшается с небольшим увеличением приложенной световой энергии. Внешние фоторезисторы надежны для практического применения.

Символ фоторезистора на схеме

Символ американского стандарта и символ международного фоторезистора показаны на рисунке ниже.

Преимущества и недостатки фоторезистора

Преимущества фоторезистора

• Маленький по размеру
• Бюджетный
• Легко переносить из одного места в другое.

Недостатки фоторезистора

• Точность фоторезистора очень низкая.

Применение фоторезисторов

Фоторезисторы используются в уличных фонарях для контроля, когда свет должен включаться и когда свет должен выключаться. Когда окружающий свет падает на фоторезистор, он выключает уличный свет. Когда света нет, фоторезистор вызывает включение уличного освещения. Это уменьшает потери электроэнергии.

Они также используются в различных устройствах, таких как сигнальные устройства, солнечные уличные фонари, ночники и радиочасы.

Пример схемы датчика освещенности

Световой датчик

Если требуется базовый датчик освещенности, можно использовать схему LDR, такую ​​как схема на рисунке. Светодиод загорается, когда интенсивность света, достигающего резистора LDR, достаточна. Переменный резистор 10K используется для установки порога, при котором светодиод включится. Если индикатор LDR ниже пороговой интенсивности, светодиод останется в выключенном состоянии. В реальных приложениях светодиод будет заменен реле или выход может быть подключен к микроконтроллеру или другому устройству. Если требуется датчик темноты, где светодиод будет светиться при отсутствии света, необходимо заменить LDR и два резистора 10К.

Аудио компрессоры

Аудио компрессоры — это устройства, которые уменьшают усиление аудио усилителя, когда амплитуда сигнала превышает установленное значение. Это сделано для усиления тихих звуков при одновременном предотвращении обрыва громких звуков. Некоторые компрессоры используют LDR и небольшую лампу (светодиод или электролюминесцентную панель), подключенную к источнику сигнала для создания изменений в усилении сигнала. Считается, что этот метод добавляет более плавные характеристики к сигналу, потому что время отклика света и резистора смягчает атаку и освобождение. Задержка времени отклика в этих приложениях составляет порядка 0,1 с.

2. Устройство, принцип действия, характеристики и параметры фоторезисторов.

Ф

Рис.2. Устройство и схема включения фоторезистора

оторезистором (ФР) называют полупроводниковый фотоэлектронный прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление изменения электрической проводимости полупроводника под воздействием оптического излучения. Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, изменяющий свое сопротивление под действием излучения (освещенности).

Принцип действия ФР основан на использовании явления фотопроводимости полупроводников, которая зависит от концентрации электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. При облучении полупроводника светом, достаточным для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, проводимость ФР увеличивается.

Принцип устройства фоторезистора показан на рис.2,а. На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 на концах. Схема включения фоторезистора приведена на рис. 2,б. Полярность источника питания не играет роли. Полупроводниковый фоточувствительный слой выполняется в виде монокристаллической или поликристаллической пластинки или в виде поликристаллической пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку (стекло, керамика или кварц). Металлические электроды (золото, платина) наносят либо на поверхность фоточувствительного слоя, либо непосредственно на диэлектрическую подложку перед осаждением полупроводникового слоя.

В качестве полупроводника используют:

— сернистый кадмий CdS (фоторезисторы ФСК) — наиболее чувствительный к видимым лучам спектра;

• селенид кадмия CdSе (фоторезисторы ФСД) – наиболее чувствительный к лучам на границе между видимой и инфракрасной областями спектра;

• сернистый свинец (фоторезисторы PbS)– наиболее чувствительный к инфракрасным лучам.

Для защиты от внешних воздействий фоточувствительный слой покрывают слоем прозрачного лака.

Поверхность светочувствительного материала, расположенную между электродами, называют рабочей площадкой. Световой поток направляют на полупроводник через специальное окно в корпусе фоторезистора. При эксплуатации ФР рекомендуют его рабочую площадку засвечивать полностью, так как при этом эффект изменения сопротивления ФР будет максимален.

Параметры фоторезистора

Если к неосвещенному ФР подключить источник питания, то в электрической цепи потечет небольшой ток, обусловленный наличием в полупроводнике малого количества свободных носителей заряда. Этот ток называют темновым током I_т.

Темновое сопротивление R_т – это сопротивление ФР при отсутствии освещения. Темновое сопротивление принято определять через 30 с после затемнения ФР.

При облучении ФР в электрической цепи протекает ток I_св. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют фототоком I_ф

I_ф = I_св – I_т.

Удельная интегральная чувствительность — это отношение фототока к световому потоку и к приложенному напряжению:

К_{о =} I_ф/ФU

Чувствительность называют интегральной, потому что измеряют ее при освещении ФР светом сложного спектрального состава. Удельные интегральные чувствительности различных типов ФР составляют от 1 до 600 мА /(В·лм).

При воздействии на ФР источника монохроматического излучения, например, лазера используют параметр монохроматическая чувствительность.

Рабочее напряжение зависит от расстояния между электродами ФР имеет диапазон от единиц до 100 В.

Постоянная времени – это время, в течение которого фототок ФР изменяется после освещения или после затемнения ФР в е раз по отношению к установившемуся значению. Постоянная времени характеризует инерционность ФР.

В связи с тем, что скорость нарастания фототока при освещении несколько отличается от скорости его спада после затемнения ФР, различают постоянные времени нарастания _н и спада _с. Численные значения постоянных времени могут быть от десятков микросекунд до десятков миллисекунд.

Наличие существенной инерционности у ФР приводит к тому, что с увеличением частоты модуляции светового потока эффективное значение возникающего переменного фототока уменьшается. Максимальная частота модуляции светового потока для ФР не превосходит десятков килогерц.

Необходимо помнить, что параметры полупроводниковых ФР существенно зависят от температуры. Собственные шумы фоторезисторов значительны.

Достоинства ФР: высокая чувствительность и малые габариты.

Фоторезистор: устройство, принцип работы, характеристики

В промышленности и бытовой электронике фоторезисторы используются для измерения освещенности, подсчета количества чего-либо, определения препятствий и прочего. Основное его назначение — переводить количество света, попадающего на чувствительную площадь, в полезный электрический сигнал. Сигнал в последствии может обрабатываться аналоговой, цифровой логической схемой или схемой на базе микроконтроллера. В этой статье мы расскажем, как устроен фоторезистор и как меняются его свойства под воздействием света.

Основные понятия и устройство

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, сопротивление которого (если удобно – проводимость) изменяются в зависимости от того, насколько сильно освещена его чувствительная поверхность. Конструктивно встречаются в различных исполнениях. Наиболее распространены элементы такой конструкции, как изображено на рисунке ниже. При этом для работы в специфических условиях можно найти фоторезисторы, заключенные в металлический корпус с окошком, через которое попадает свет на чувствительную поверхность. Ниже вы видите его условное графическое обозначение на схеме.

Интересно: изменение сопротивления под воздействием светового потока называется фоторезистивным эффектом.

Принцип действия заключается в следующем: между двумя проводящими электродами находится полупроводник (на рисунке изображен красным), когда полупроводник не освещен – его сопротивление велико, вплоть до единиц МОм. Когда эта область освещена её проводимость резко возрастает, а сопротивление соответственно падает.

В качестве полупроводника могут использоваться такие материалы как: сульфид Кадмия, Сульфид Свинца, Селенит Кадмия и другие. От выбора материала при изготовлении фоторезистора зависит его спектральная характеристика. Простыми словами – диапазон цветов (длин волн) при освещении которыми будет корректно изменяться сопротивление элемента. Поэтому выбирая фоторезистор, нужно учитывать в каком спектре он работает. Например, под УФ-чувствительные элементы нужно подбирать те виды излучателей, спектральные характеристики которых подойдут к фоторезисторам. Рисунок, который описывает спектральные характеристики каждого из материалов изображен ниже.

Одним из часто задаваемых вопросов является «Есть ли полярность у фоторезистора?» Ответ – нет. У фоторезисторов нет p-n перехода, поэтому не имеет значения, в каком направлении протекает ток. Проверить фоторезистор можно с помощью мультиметра в режиме измерения сопротивления, измерив сопротивление освещенного и затемненного элемента.

Примерную зависимость сопротивления от освещенности вы можете видеть на графике ниже:

Здесь показано, как изменяется ток при определенном напряжении в зависимости от количества света, где Ф=0 – темнота, а Ф3 – яркий свет. На следующем графике приведено изменение тока при постоянном напряжении, но изменяющейся освещенности:

На третьем графике вы видите зависимость сопротивления от освещенности:

На рисунке ниже вы можете наблюдать как выглядят популярные фоторезисторы производства СССР:

Современные же фоторезисторы, нашедшие широкое распространение в практике самодельщиков, выглядят немного иначе:

Для обозначения элемента обычно используется буквенная маркировка.

Характеристики фоторезисторов

Итак, у фоторезисторов есть основные характеристики, на которые обращаются внимание при выборе:

• Темновое сопротивление. Как понятно из названия — это сопротивление фоторезистора в темноте, то есть при отсутствии светового потока.
• Интегральная фоточувствительность – описывает реакцию элемента, изменение тока через него на изменение светового потока. Измеряется при постоянном напряжении в А/лм (или мА, мкА/лм). Обозначается как S. S=Iф/Ф, где Iф – фототок, а Ф – световой поток.

При этом указывается именно фототок. Это разность между темновым током и током освещенного элемента, то есть той частью, которая возникла из-за эффекта фотопроводимости (то же что и фоторезистивный эффекта).

Примечание: темновое сопротивление конечно же характерно для каждой конкретной модели, например, для ФСК-Г7 – это 5 МОм, а интегральная чувствительность 0,7 А/лм.

Помните, что фоторезисторы обладают определенной инерционностью, то есть его сопротивление изменяется не моментально после облучения световым потоком, а с небольшой задержкой. Этот параметр называется граничная частота. Это частота синусоидального сигнала модулирующего световой поток через элемент, при которой чувствительность элемента снижается в корень из 2 раз (1.41). Быстродействие компонентов обычно лежит в пределах десятков микросекунд (10^(-5)с). Таким образом, использование фоторезистора в схемах, где нужна быстрая реакция ограничено, а часто и неоправданно.

Где используется

Когда мы узнали об устройстве и параметрах фоторезисторов, давайте поговорим о том, для чего он нужен на конкретных примерах. Хоть и применение фотосопротивлений ограничено их быстродействием, от этого область применения меньшей не стала.

1. Сумеречные реле. Их еще называют фотореле – это устройства для автоматического включения света в темное время суток. На схеме ниже изображен простейший вариант такой схемы, на аналоговых компонентах и электромеханического реле. Её недостатком является отсутствие гистерезиса и возможное возникновение дребезжание при приграничных величинах освещенности, в результате чего реле будет дребезжать или включаться-отключаться при незначительных колебаниях освещенности.
2. Датчики освещенности. С помощью фоторезисторов можно детектировать слабый световой поток. Ниже представлена реализация такого устройства на базе ARDUINO UNO.
3. Сигнализации. В таких схемах используются преимущественно элементы, чувствительные к ультрафиолетовому излучению. Чувствительный элемент освещается излучателем, в случае появления препятствия между ними – срабатывает сигнализация или исполнительный механизм. Например, турникет в метро.
4. Датчики наличия чего либо. Например, в полиграфической промышленности с помощью фоторезисторов можно контролировать обрыв бумажной ленты или количество листов, подаваемых в печатную машину. Принцип работы подобен тому, что рассмотрен выше. Таким же образом можно считать количество продукции, прошедшей по конвейерной ленте, или её размер (при известной скорости движения).

Мы кратко рассказали о том, что это такое фоторезистор, где он используется и как работает. Практическое использование элемента очень широко, поэтому описать все особенности в пределах одной статьи достаточно сложно. Если у вас возникли вопросы – пишите их в комментариях.

Напоследок рекомендуем просмотреть полезное видео по теме:

Наверняка вы не знаете:

Фоторезисторы. Виды и работа. Применение и особенности

Фоторезисторы — это резисторы, у которых меняется сопротивление в зависимости от действия света на светочувствительную поверхность. Сопротивление не зависит от величины напряжения, в отличие от обычного резистора.

В основном фотосопротивления применяются для индикации или отсутствия света. В полной темноте сопротивление фоторезистора имеет большую величину, достигающую иногда до 1 мегаома. При воздействии на датчик (чувствительную часть фоторезистора) светового потока, его сопротивление в значительной степени снижается, и зависит от интенсивности освещенности. Величина сопротивления при этом может упасть до нескольких Ом.

Длина световой волны оказывает влияние на чувствительность фотосопротивления. Они применяются в различных устройствах, но не являются такими популярными, как фототранзисторы и фотодиоды. В некоторых зарубежных странах запрещено применение фотосопротивлений, так как в них содержится кадмий или свинец, вредные по экологическим требованиям.

Быстродействие фоторезисторов незначительное, поэтому они действуют только на низких частотах. В новых конструкциях устройств фоторезисторы редко применяются. Их можно встретить в основном при ремонте старых устройств.

Для проверки фотосопротивления к нему подключают мультитестер. Без света его значение сопротивления должно быть значительным, а при его освещении оно сильно падает.

 

Виды и принцип действия

По материалам изготовления фоторезисторы делятся на виды:

• С внутренним фотоэффектом.
• С внешним фотоэффектом.

При изготовлении фотосопротивлений с внутренним фотоэффектом применяют нелегированные вещества: германий или кремний.

При попадании на чувствительную часть фотоны воздействуют на электроны и заставляют их двигаться в зону проводимости. В итоге в материале возникает значительное число электронов, вследствие чего повышается электропроводность, а значит и снижается сопротивление.

Фоторезисторы с возникновением внешнего фотоэффекта изготавливают из смешанных материалов, в которые входят легирующие добавки. Эти вещества создают обновленную энергетическую зону сверху валентной зоны, насыщенной электронами, нуждающимися в меньшем количестве энергии для осуществления перехода в проводимую зону, с помощью энергетической щели малого размера. В результате фотосопротивление становится чувствительным к разной длине световой волны.

Несмотря на вышеописанные особенности этих видов, оба вида снижают сопротивление при освещении. При повышении интенсивности освещения снижается сопротивление. Поэтому, получается обратная зависимость сопротивления от света, причем нелинейная.

На электрических схемах фотосопротивления обозначаются:

 

Чувствительность и длина световой волны

Длина волны света оказывает влияние на чувствительность фотосопротивления. Если величина длины световой волны выходит за пределы диапазона работы, то освещенность уже не оказывает влияния на такой резистор, и он становится нечувствительным в этом интервале длин световых волн.

Разные материалы обладают различными спектральными графиками отклика волны. Фотосопротивления с внешней зависимостью чаще всего используются для значительной длины волны, с приближением к инфракрасному излучению. При эксплуатации светового резистора в этом диапазоне следует быть осторожным, во избежание чрезмерного нагрева, который влияет на показания измерения сопротивления в зависимости от степени нагревания.

Чувствительность фотосопротивления

Фоторезисторы обладают меньшей чувствительностью, по сравнению с фототранзисторами и фотодиодами, которые являются полупроводниковыми приборами, с управлением заряженными частицами от светового луча, посредством р-n перехода. У фотосопротивлений нет полупроводникового перехода.

При нахождении интенсивности света в стабильном диапазоне, сопротивление фоторезистора может все равно меняться в значительной степени из-за изменения величины температуры, так как она также оказывает большое влияние на сопротивление. Это свойство не позволяет использовать фоторезистор для измерения точной интенсивности света.

Инертность

Еще одним уникальным свойством обладает фотосопротивление. Оно состоит в том, что существует время задержки между изменением сопротивления и освещения, что называется инертностью прибора.

Для значительного падения сопротивления от воздействия луча света необходимо затратить время, равное около 10 миллисекунд. При обратном действии для восстановления значения сопротивления понадобится около 1 секунды.

Благодаря этому свойству такой резистор не применяется в устройствах с необходимостью учета резких скачков освещенности.

Свойства и конструктивные особенности

Фотопроводность впервые обнаружили у элемента Селена. Затем были найдены и другие материалы с подобными свойствами. Фоторезисторы из сульфида кадмия являются наиболее популярными и имеют обозначение СDS-фоторезистора. Сегодня фотосопротивления производятся и из антимонида индия, сульфида свинца, селенида свинца.

Для производства фотосопротивлений из сульфида кадмия, порошок высокой степени очистки смешивают с веществами инертного действия. Далее, смесь спрессовывают и спекают.

На основание с электродами в вакууме напыляют светочувствительный слой в форме извилистой дорожки. Далее, это напыленное основание размещают в пластиковую или стеклянную оболочку, во избежание предотвращения попадания пыли и грязи на чувствительный элемент.

Спектральный график отклика чувствительного сульфида кадмия сочетается с временем отклика глаза человека. Длина волны света наибольшей чувствительности равна 600 нанометров. Это соответствует видимому спектру. Устройства с содержанием кадмия или свинца запрещены во многих зарубежных странах.

Сфера использования фоторезисторов

Такой вид светочувствительных сопротивлений применяется в виде датчиков света, если необходимо определять отсутствие или наличие света, либо фиксацию значения интенсивности освещения. Таким примером служит автоматическая система включения освещения улиц, а также работа фотоэкспонометра.

Световое реле для освещения улиц

В виде примера на схеме изображено уличное фотореле освещения. Эта система включает освещение улиц в автоматическом режиме, при наступлении темного времени суток, и отключает его при наступлении светлого времени. Такую схему можно применять для любых автоматических систем освещения.

При падении луча света на фоторезистор, его сопротивление снижается, становится значительным падение напряжения на переменном сопротивлении R2, транзистор VТ1 открывается. Коллектор этого транзистора соединен с базой VТ2 транзистора, который в это время закрыт, и реле отключено. При наступлении темноты сопротивление фоторезистора повышается, напряжение на переменном сопротивлении снижается, а транзистор VТ1 закрывается. Транзистор VТ2 открывается и выдает напряжение на реле, подключающее лампу освещения.

Похожие темы:

Фоторезистор: характеристики, принцип работы, применение

Содержание:

1. Принцип действия фоторезисторов
2. Общие характеристики
3. Конструкция и применение
4. Видео

В электротехнике широко применяются различные виды электрических сопротивлений. Среди них следует отметить фоторезистор, называемый также фотосопротивлением, основные параметры которого могут изменяться под действием световых лучей, попадающих на светочувствительную поверхность.

По сравнению с обычными резисторами, значение сопротивления этого устройства никак не связано с приложенным к нему напряжением. С помощью фоторезисторов определяется наличие или отсутствие света, можно проверить и измерить интенсивность светового потока. В полной темноте их сопротивление существенно возрастает и может достигнуть 1 МОм. Под влиянием света сопротивление, наоборот, начинает резко падать, а его значение будет полностью зависеть от интенсивности света.

Принцип действия фоторезисторов

В зависимости от материалов, применяемых для изготовления фоторезисторов, эти устройства разделяются на две группы, основными признаками которых являются внутренний и внешний фотоэффект.

Элементы с внутренним фотоэффектом производятся из нелегированных материалов – германия или кремния. Принцип действия их довольно простой. Попадая на поверхность устройства, фотоны приводят в движение электроны. В результате, начинается их перемещение из валентной области в зону проводимости. Далее, в материале в большом количестве появляются свободные электроны, способствуя улучшению проводимости и соответствующему уменьшению сопротивления. Это в общих чертах объясняет, как работает фоторезистор.

Достижение внешнего фотоэффекта становится возможным за счет материалов, из которых изготавливается фоторезистор. Для придания нужных свойств в них добавляются специальные примеси, известные как легирующие добавки. Они изменяют параметры в нужную сторону и способствуют созданию новой энергетической зоны, насыщенной электронами, поверх имеющейся валентной области. Такие электроны требуют гораздо меньшее количество энергии для перехода в зону проводимости. Результатом этого становится повышенная чувствительность фоторезисторов к разной длине световых волн.

Несмотря на различие физических свойств, каждое устройство обладает способностью к уменьшению сопротивления при воздействии на них светового потока. Чем выше рост интенсивности света, тем большее падение напряжения наблюдается у фоторезистора. В графическом выражении это свойство отображается в виде обратной нелинейной функции интенсивности света.

Общие характеристики

Несмотря на определенные различия в конструкции и физических свойствах, все типы фоторезисторов имеют общие характеристики. Одним из основных параметров считается чувствительность, зависящая от длины световой волны. В случае расположения длины волны за пределами рабочего диапазона, свет никак не будет влиять на устройство, то есть фоторезистор не реагирует на световые волны в данном диапазоне.

Каждый материал, применяемый для изготовления данных элементов, содержит собственные характеристики, обладает индивидуальными уникальными спектральными кривыми отклика волны по отношению к чувствительности. Например, устройства с внешним фотоэффектом лучше всего работают с большой длиной световых волн, со смещением в сторону инфракрасного сектора.

Задействовать фоторезисторы в инфракрасном диапазоне следует с осторожностью, чтобы не допустить перегрева. Получившийся тепловой эффект может оказать влияние на данные измерений в связи с изменением сопротивления элемента.

По сравнению с фото транзисторами и фотодиодами, фоторезистор обладает более низкой чувствительностью. Дело в том, что два первых устройства относятся к полупроводникам, в которых электроны и дырки, движущиеся потоком через PN-переход, управляются с помощью света. В фоторезисторах такой переход отсутствует, поэтому их характеристики не совпадают.

При стабильной интенсивности светового потока, сопротивление фоторезисторов может все равно подвергнуться существенным изменениям из-за перепадов температуры, поскольку они обладают повышенной чувствительностью к таким перепадам. В связи с этим, данное устройство нельзя использовать для точных измерений интенсивности света.

Следующее свойство, характеризующее фоторезистор, называется инертностью. Этот параметр представляет собой время задержки между изменяющимся освещением и сопротивлением, которое также изменяется при перепадах освещения. При изучении данной характеристики было установлено, что сопротивление фоторезистора падает до минимальной отметки под действием полного освещения примерно за 10 миллисекунд.

Максимального значения фоторезистор достигает при полном отсутствии света примерно за 1 секунду. В связи с этим, подобные устройства не могут использоваться в местах, где обязательно учитывается наличие резких перепадов напряжения.

Конструкция и применение

Первым материалом, у которого обнаружилось свойство фотопроводимости, стал селен. В дальнейшем такие же качества были установлены и у других материалов. Современный фоторезистор представляет собой соединение различных веществ – сульфид свинца, антимонид индия, селенид свинца. Наиболее популярны устройства, изготовленные на основе сульфида кадмия и селенида кадмия.

В качестве примера можно взять элемент из сульфида кадмия. Его изготовление осуществляется из порошкообразного вещества высокой очистки, смешанного с инертными связующими материалами. Таким образом, в будущий прибор изначально закладываются необходимые характеристики. Полученная смесь подвергается прессовке и спеканию. Далее в условиях вакуума на основание с электродами наносится специальная извилистая дорожка, представляющая собой фоточувствительный слой, реагирующий на свет. Составной частью данной схемы является пластиковая или стеклянная оболочка, защищающая фоточувствительный элемент от загрязнений и повреждений.

Сульфид кадмия реагирует на свет в соответствии со спектральной кривой, совпадающей с человеческим глазом. Максимальная чувствительность имеет длину волны, составляющую примерно 500-600 нм и входящую в видимую часть спектра.

Практическое применение фоторезисторов в системах освещения стало возможным в качестве датчиков, определяющих наличие или отсутствие света или фиксирующих степень его интенсивности. Фоторезисторы используются для работы в автоматах, включающих и выключающих уличное освещение в различное время суток. Кроме того, эти приборы применяются в фотоэкспонометрах и других устройствах, связанных с действием светового потока.

Фоторезисторы Конструкция и схема включения фоторезистора

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под действием света.

Монокристаллический фоторезистор

Рис. 2.2. Монокристаллический фоторезистор

 

Пленочный фоторезистор

Рис. 2.3. Пленочный фоторезистор

Рис. 2.4. Включение фоторезистора в цепь постоянного тока

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 2.2, 2.3. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором — тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 2.4) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток:

где Е — ЭДС источника питания;

R_T — величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением;

R_H — сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает, и через него течет световой ток, обусловленный формулой:

Разность между световым и темновым током дает значение тока 1ф, получившего название первичного фототока проводимости

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, 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.

Основные характеристики фоторезисторов

Фоторезистор (от фото- и резистор), представляет собой полупроводниковый резистор, омическое сопротивление которого определяется степенью освещенности. В основе принципа действия фоторезисторов лежит явление фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость — увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости — увеличение концентрации носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Светочувствительный слой полупроводникового материала в таких сопротивлениях помещен между двумя токопроводящими электродами. Под воздействием светового потока электрическое сопротивление слоя меняется в несколько раз (у некоторых типов фотосопротивлений оно уменьшается на два-три порядка). В зависимости от применяемого слоя полупроводникового материала фотосопротивления подразделяются на сернисто-свинцовые, сернисто-кадмиевые, сернисто-висмутовые и поликристаллические селено-кадмиевые. Фотосопротивления обладают высокой чувствительностью, стабильностью, они экономичны и надежны в эксплуатации. В целом ряде случаев они с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.

Основные характеристики фотосопротивлений:

•        Рабочая площадь.

•        Темновое сопротивление (сопротивление в полной темноте), варьируется в обычных приборах от 1000 до 100000000 Ом.

•        Удельная чувствительность

где Ai — фототок, равный разности токов в темноте и на свету; Ф — световой поток; U — приложенное напряжение.

•        Предельное рабочее напряжение (как правило от 1 до 1000 В).

•        Среднее относительное изменение сопротивления в процентах (обычно лежит в пределах 10…99,9%):

где R_T и R_c — сопротивление в темноте и в освещенном состоянии соответственно.

•        Средняя кратность изменения сопротивления (как правило от 1 до 1000). Определяется соотношением: R_T/R_C.

Схема включения фоторезисторов показана на рис. 2.5.

При определенном освещении сопротивление фотоэлемента уменьшается, а, следовательно, сила тока в цепи возрастает, достигая значения, достаточного для работы какого-либо

Рис. 2.5. Электрическая схема включения фоторезистора

 

Рис. 2.6. ВАХ фоторезистора

устройства (схематично показано в виде некоторого сопротивления нагрузки). Полезный сигнал для дальнейшего усиления или управления другими устройствами снимают параллельно R_Harp.

Основными характеристиками фоторезисторов являются:

• Вольт-амперная (ВАХ), характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов эта зависимость практически линейна (рис. 2.6). Закон Ома нарушается только при высоких напряжениях, приложенных к фоторезистору.

Световая (люкс-амперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люкс-амперную характеристику (рис. 2.7). 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.

Рис, 2.7. Зависимость тока от светового потока, падающего на рабочую поверхность фоторезистора

 

Рис. 2.8. Зависимость спектральной характеристики от материала фоторезистора

 

Рис. 2.9. Зависимость фототока фоторезистора от частотной модуляции светового потока

• Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Сернисто-кад- миевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые — в красной, а сернисто-свинцовые — в инфракрасной. Это хорошо демонстрирует рис. 2.8.

Частотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока — с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (см. рис. 2.9). Инерционность ограничивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.

Параметры фоторезисторов

Рабочее напряжение U_p — постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях.

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.

Темновое сопротивление R_T — сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности.

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

Кратность изменения сопротивления K_R — отношение тем- нового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению).

Допустимая мощность рассеяния — мощность, при которой не наступает необратимых изменений параметров фоторезистора в процессе его эксплуатации.

Общий ток фоторезистора — ток, состоящий из темнового тока и фототока.

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

Удельная чувствительность — отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение, мкА/(лм-В):

где 1ф — фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и при определенной (200 лк) освещенности, мкА;

Ф — падающий световой поток, лм; U — напряжение, приложенное к фоторезистору, В.

Интегральная чувствительность — произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение:

Постоянная времени т_ф — время, в течение которого фото- ток изменяется на 63%, т.е. в е раз. Постоянная времени характеризует инерционность прибора и влияет на вид его частотной характеристики.

Рис. 2.10. Иллюстрация нарастания и спада фототока в зависимости от освещенности фоторезистора

При включении и выключении света фототок возрастает до максимума (рис. 2.10) и спадает до минимума не мгновенно. Характер и длительность кривых нарастания и спада фототока во времени существенно зависят от механизма рекомбинации неравновесных носителей в данном материале, а также от величины интенсивности света. При малом уровне инжекции нарастание и спад фототока во времени можно представить экспонентами с постоянной времени т, равной времени жизни носителей в полупроводнике. В этом случае при включении света фототок будет нарастать и спадать во времени по закону:

где 1_ф — стационарное значение фототока при освещении.

По кривым спада фототока во времени можно определить время жизни т неравновесных носителей.

Изготовление фоторезисторов

В качестве материалов для фоторезисторов широко используются сульфиды, селениды и теллуриды различных элементов, а также соединения типа A_lMB_v. В инфракрасной области могут быть использованы фоторезисторы на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb, в области видимого света и ближнего спектра ультрафиолета — CdS.

Применение фоторезисторов

Сегодня фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в опто- электронике. В радиолюбительских конструкциях фоторезисторы применяются как световые датчики в устройствах слежения и автоматики, автоматических и фотореле в быту, в охранных системах.

Регистрация оптического излучения

Для регистрации оптического излучения его световую энергию преобразуют в электрический сигнал, который затем измеряют обычным способом. При этом преобразовании обычно используют следующие физические явления:

•        генерацию подвижных носителей в твердотельных фотопрово- дящих детекторах;

•        изменение температуры термопар при поглощении излучения, приводящее к изменению термо-ЭДС;

•        эмиссию свободных электронов в результате фотоэлектрического эффекта с фоточувствительных пленок.

Наиболее важными типами оптических детекторов являются:

•        фотоумножитель;

•        полупроводниковый фоторезистор;

•        фотодиод;

•        лавинный фотодиод.

Полупроводниковый фотодетектор

Схема включения полупроводникового фотодетектора приведена на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Схема подключения полупроводникового фотоэлемента

Полупроводниковый кристалл последовательно соединен с резистором R и источником постоянного напряжения U. Оптическая волна, которую нужно зарегистрировать, падает на кристалл и поглощается им, возбуждая при этом электроны в зону проводимости (или в полупроводниках р-типа — дырки в валентную зону). Такое возбуждение приводит к уменьшению сопротивления R_d полупроводникового кристалла и, следовательно, к увеличению падения напряжения на сопротивлении R, которое при AR_d/Rd « 1 пропорционально плотности падающего потока. В качестве примера рассмотрим энергетические уровни одного из наиболее распространенных полупроводников — германия, легированного атомами ртути. Атомы Нд в германии являются акцепторами с энергией ионизации 0,09 эВ. Следовательно, для того чтобы поднять электрон с верхнего уровня валентной зоны и чтобы атом Нд (акцептор) сумел захватить его, необходим фотон с энергией не менее 0,09 эВ (т.е. фотон с длиной волны короче 14 мкм). Обычно кристалл германия содержит небольшое количество N_D донорных атомов, которым при низких температурах энергетически выгодно отдавать свои валентные электроны большому количеству N_A акцепторных атомов. При этом возникает равное количество положительно ионизированных донорных и отрицательно ионизированных акцепторных атомов. Так как концентрация акцепторов N_A » N_D, большинство атомов-акцепторов остается незаряженными.

Главным преимуществом полупроводниковых фотодетекторов по сравнению с фотоумножителями является их способность регистрировать длинноволновое излучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано с преодолением значительного поверхностного потенциального барьера.

Недостатком же их является небольшое усиление по току. Чтобы выходной импульс мог управлять различными электронными системами, его необходимо многократно усилить. Таким усилителем может быть одно-двухкаскадный транзисторный усилитель или операционный усилитель. Чтобы фотовозбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы не должны эксплуатироваться в средах с высокими температурами, иначе их необходимо охлаждать.