Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Теоретическое введение

Лабораторная работа № 13

Название. Изучение характеристик фоторезистора

Цель работы: Изучение и измерение характеристик фоторезистора

Приборы и принадлежности: фоторезистор, оптическая скамья, осветитель, миллиамперметр, вольтметр или цифровой мультиметры, соединительные провода.

Литература. 1. Трофимова Т.И. Курс физики, учебное пособие. – Москва, Академия, издание 6, 2006, § 244

2. Дулин В.Н., Аваев В.П., Дёмин В.П. и др. Электронные приборы, учебник для вузов. — Москва, Энергоатомиздат, 1989, 496 с.,

3. Зорохович А. Е., Калинин В. К. Электротехника с основами промышленной электроники. – Москва: Высшая школа, 1975.

4. Ухин П. Н., Федосеева Е. О. Электровакуумные и полупроводниковые приборы. – Москва: Искусство, 1968.

Теоретическое введение

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием светового потока, то есть при поглощении падающего на него электромагнитного излучения (света).

Принцип работы фоторезистора основан на физическом явлении, называемым внутренним фотоэффектом или фотопроводимостью. Это явление заключается в образовании дополнительных свободных носителей заряда в полупроводнике в результате поглощения им электромагнитного излучения (света). Дополнительные свободные носители заряда, возникающие при освещении, образуют дополнительную электропроводность полупроводника, также называемую фотопроводимостью.

Физическая картина этого процесса объясняется на основе квантовых представлений о электромагнитном излучении и кристаллическом твёрдом теле.

1. Электромагнитное излучение обладает сложной природой. В одних явлениях оно проявляет волновые свойства и его следует рассматривать как электромагнитные волны, а в других, например при взаимодействии с веществом, проявляет корпускулярные свойства. Согласно современным представлениям электромагнитное излучение испускается, распространяется в пространстве и поглощается веществом порциями, которые называются квантами или фотонами. Энергия фотона равна Е = hν, где h – постоянная Планка, равна 6,62 · 10^-34 Дж·с, а ν – частота электромагнитных колебаний.

2. В чистом и однородном полупроводнике при отсутствии внешних воздействий и невысокой температуре количество свободных электронов мало, поэтому при обычных условиях проводимость полупроводников низкая. Это обусловлено тем, что внешние валентные электроны атомов полупроводника связаны со своими и соседними атомами, образуя прочные химические связи (силы), которыми атомы полупроводника и сцеплены друг с другом. Пока существует такая связь, эти (связанные, валентные) электроны не могут участвовать в переносе заряда. Лишь осуществляя достаточно энергичное внешнее воздействие на полупроводник (например, нагревая или освещая его светом), можно освободить часть валентных электронов, участвующих в образовании химических связей между атомами, и тем самым образовать дополнительное количество свободных электронов , которые увеличат электропроводность полупроводника и могут существенно изменить его другие свойства.

В ходе внешнего воздействия связанным электронам должна быть сообщена достаточная энергия, чтобы электроны, совершив определённую работу, перешли из связанного состояния в пространство между атомами. Находясь в межатомных промежутках они могут перемещаться под действием приложенного к полупроводнику электрического поля, создавая электрический ток. Энергия, необходимая для освобождения электрона, участвующего в химической связи полупроводника, имеет вполне определённое значение и является энергетической характеристикой (параметром) полупроводника. Эта энергия называется шириной запрещённой зоны E_g. В разных полупроводниках она имеет разные значения и немного зависит от температуры. Для кристаллического кремния при комнатной температуре E_g = 1,12 эВ, для германия E_g = 0,67 эВ. Поэтому, чтобы освободить связанный валентный электрон, ему нужно сообщить энергию, равную или больше E_g.

При внутреннем фотоэффекте поглощённая световая энергия идёт на внутреннее высвобождение связанных с атомами валентных электронов. В отличие от внешнего фотоэффекта освобождённые электроны не покидают полупроводник, а некоторое время проводят в свободном состоянии, находясь в межатомных промежутках.

При внутреннем фотоэффекте поглощаемое электромагнитное излучение (свет) передаёт свою энергию связанным электронам. При этом связанному электрону передаётся энергия одного фотона hν.

Поэтому освобождение связанного электрона и его переход в пространство между атомами возможно только при условии, что энергия фотона равна или больше ширины запрещённой зоны полупроводника hν ≥ E_g. В этом случае в полупроводнике образуются электронно-дырочные пары, которые увеличивают его электропроводность, то есть уменьшают сопротивление полупроводника.

Частота электромагнитного излучения (волн), удовлетворяющая условию hν_кр = E_g, называется красной или длинноволновой границей фотопроводимости. Здесь E_g – ширина запрещённой энергетической зоны полупроводника. Дело в том, что излучение с частотой ν < ν_кр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия фотона такого излучения недостаточна для освобождения связанного электрона hν < E_g. Критической частоте ν_кр соответствует граничная (красная или длинноволновая граница) длина волны λ_кр = с / ν_кр. Если же энергия фотонов hν ≥ E_g, то избыточная энергия фотонов передаётся электронам в виде кинетической энергии.

Существует другой вид фотопроводимости, обусловленный ионизацией примесных атомов и называемый примесной фотопроводимостью. Такая фотопроводимость возникает, если энергия падающих фотонов равна или больше энергии ионизации примесных атомов (доноров E_Д или акцепторов E_А) hν ≥ E_Д (E_А). В случае примесной фотопроводимости обычно возникают дополнительные электроны или дырки, то есть носители заряда одного вида.

В полупроводниковом фоточувствительном слое фоторезистора, находящемся в темноте, при определённой температуре всегда имеется некоторая концентрация свободных носителей заряда. Этими носителями определяется ток проводимости фоторезистора, возникающий при подаче напряжения на него и называемый темновым током I _Т. Световой поток, падая на фоточувствительный слой фоторезистора, может генерировать дополнительные носители заряда. Участвуя в электропроводности, они создают дополнительную проводимость, называемую фотопроводимостью. Общий ток освещённого фоторезистора называется световым и обозначают I _С. Разность между световым и темновым токами I _Ф = I _Т - I _С называется фототоком проводимости.

Наряду с процессом генерации дополнительных (избыточных) носителей заряда под действием светового излучения, в полупроводнике имеет место обратный процесс воссоединения свободных электронов и дырок, называемый рекомбинацией. Рекомбинация уменьшает концентрацию свободных носителей заряда. Этот процесс в основном определяется природой полупроводника, а также видом и концентрацией примесных атомов, содержащихся в нём. При непрерывном освещении устанавливается динамическое равновесие, при котором число генерируемых электронов равно числу рекомбинирующих. В этом состоянии в полупроводнике и возникает некоторое постоянное дополнительное количество свободных зарядов, которые определяют дополнительную проводимость, то есть фотопроводимость.

Конструкция и параметры фоторезисторов. Для изготовления фоторезисторов используют наиболее фоточувствительные полупроводники: кремний, германий, селен, а также соединения свинца, кадмия и другие. Наибольшее распространение получили фоторезисторы на основе сульфида кадмия CdS, селенида кадмия CdSe и сернистого свинца PbS.

Основным рабочим элементом фоторезистора является тонкий светочувствительный слой (элемент) из полупроводника (рис.1) У одних фоторезисторов этот слой представляет собой спрессованную из порошкообразного полупроводника прямоугольную таблетку, у других – тонкий слой полупроводникового материала (2) на стеклянной или керамической подложке (1). На поверхность фоточувствительного слоя наносят два металлических электрода (4). В качестве электродов обычно применяют тонкие плёнки металлов, не подвергающихся коррозии (золото, платина, серебро), наносимых испарением в вакууме. К электродам подсоединены соединительные выводы (5) для включения фоторезистора в электрическую цепь. Для защиты от влияния влаги, воздуха и других внешних

(а) б) (в) (г)

Рис.3 – Фоторезисторы различных типов: а – с рабочей площадкой в виде меандра, б – фоторезистор ФР1-3 (темная прямоугольная полоска - фоточувствительный слой), в – фоторезисторы ФСК-6, г – фоторезисторы ФС-3.

воздействий фоточувствительный слой покрывают прозрачным лаком (3) и помещают в металлический или пластмассовый корпус, имеющий окошко для прохождения светового потока. Поверхность фоточувствительного слоя, заключённую между электродами, называют рабочей площадкой. Фоторезисторы делают с рабочими площадками различной формы и размеров: прямоугольными, в виде меандра или кольца (рис.2). Внешний вид и обозначение фоторезисторов на электрических схемах показаны на рис.3 и 4.

Рис.4 – Обозначение фоторезистора. Рис.5 – Вольт-амперные характеристики

фоторезистора при разных значениях светового потока Ф.

Основные характеристики фоторезисторов:

Вольт-амперная характеристика – это зависимость светового тока и фототока (при неизменном световом потоке), а также темнового тока от приложенного к фоторезистору напряжения. В рабочем диапазоне напряжений вольт-амперные характеристики линейны (рис.5).

Световая или люкс-амперная харакатеристика – это зависимость фототока от падающего светового потока или от освещённости. Фоторезисторы обычно имеют нелинейную световую характеристику (рис.6). При больших освещённостях увеличение фототока отстаёт от роста светового потока и намечается тенденция к насыщению. Это объясняется тем, что при увеличении светового потока с ростом концентрации генерируемых носителей заряда растёт вероятность их рекомбинации.

Спектральная характеристика - это зависимость фототока от длины волны падающего света. Спектральные характеристики обычно изображают в виде графиков (рис.7). Как видно, фоторезисторы обладают различными спектральными характеристиками в зависимости от материала, использованного для фоточувствительного слоя.

Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокую чувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые – в красной части спектра, а также чувствительны в ближней инфракрасной области спектра. У сернисто-свинцовых фоторезисторов максимум чувствительности лежит в инфракрасной области спектра, что даёт возможность использовать их для наблюдения и регистрации излучений слабо нагретых тел.

Рис.6 Рис.7

Параметры фоторезисторов:

Темновое сопротивление R_Т – это сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения.

Темновой ток I_T - ток, протекающий в цепи фоторезистора при приложенном рабочем напряжении при отсутствии освещения.

Световой ток I_св – ток через фоторезистор при приложенном напряжении и освещённости 200 лк.

Интегральная чувствительность k_Ф = I_Ф / Ф · U – это отношение величины фототока к величине падающего светового потока Ф, имеющего сложный спектральный состав, и к величине приложенного напряжения U.

Кратность изменения сопротивления k_R = R_Т / R_{с в} – отношение темнового сопротивления к сопротивлению фоторезистора при освещённости 200лк (люкс). Характеризует фоточувствительность фоторезистора.

Рабочее напряжение U – это напряжение, при котором фоторезистор работоспособен в течение указанного срока службы. Значения рабочих напряжений взяты при освещённости 200 лк.

Допустимая мощность рассеивания P_max - максимальная мощность, рассеиваемая на фоторезисторе без его теплового повреждения.

Постоянная времени τ - это время, в течение которого фототок фоторезистора изменяется при освещении или при затемнении фоторезистора на 63 % (в е = 2,71 раз) по отношению к установившемуся значению.

Эта величина характеризует скорость реакции фоторезистора на изменение светового потока, то есть характеризует его инерционность. Инерционность фоторезистора определяется временем, в течение которого носители заряда, освобожденные светом, находятся в возбуждённом (свободном) состоянии.

Основные параметры некоторых фоторезисторов приведены в таблице.

Таблица

Рис.8 Рис.9

Фоторезистор имеет одинаковую проводимость в обоих направлениях (в нем нет p-n-переходов), поэтому он включается последовательно с управляемым им устройством и источником тока. Схема включения фоторезистора показана на рис.8.

При отсутствии освещения (Ф = 0) фоторезистор обладает большим темновым сопротивлением R_Т, поэтому темновой ток мал и определяется выражением:

I_T = E / (R_Т + R_н) (1)

При наличии светового потока (Ф > 0) сопротивление резистора уменьшается до значения R_св, определяющего вместе с источником тока Е световой ток;

I_св = E / (R_св + R_н) (2)

Разность этих токов I_св - I_T определяет фототок:

I_Ф = E / (R_Т + R_н) - E / (R_св + R_н) (3)

Фоторезистор может реагировать не только на появление светового потока, но и на его исчезновение, то есть является световым реле. При отсутствии освещения или при постоянном освещении фоторезистор представляет собой активное сопротивление, и ток, протекающий по нему, пропорционален приложенному напряжению, а в случае постоянной величины напряжения величина тока пропорциональна интенсивности действующего светового потока.

Если фоторезистор включен последовательно с источником тока Е и с резистором нагрузки R_н (рис. 8), то изменения светового потока Ф сопровождаются изменением тока в цепи, то есть фоторезистор может работать и как вакуумный фотоэлемент для преобразования световой энергии в электрическую.