Фотосопротивление и его характеристики

Фотосопротивление, или фоторезистор – это полупроводниковый прибор, уменьшающий свое электрическое сопротивление под действием лучистого потока. Он изготавливается следующим образом. На изолирующую подложку наносится тонкий слой полупроводника, обычно методом испарения в вакууме. Затем по краям этого слоя также испарением в вакууме наносятся металлические электроды. Пластинка помещается в эбонитовую или пластмассовую оправку с окошком. Электроды соединяются с двумя выводными клеммами, с помощью которых фотосопротивление включается в цепь последовательно с источником напряжения (рисунок 73.3). Для предохранения от влияния воздуха фоточувствительная поверхность покрывается тонкой пленкой лака такого сорта, чтобы лаковая пленка обладала прозрачностью в той области спектра, которую «чувствует» данное фотосопротивление.

Другой распространенный способ создания фоточувствительного слоя состоит в том, что полупроводниковое вещество измельчается в мелкий порошок, из которого выпрессовывается тонкие таблетки, которые подвергаются спеканию. Затем на них наносят токовые электроды и помещают в пластмассовую оправку с окошком. Иногда фотосопротивления изготавливаются из монокристалла фотоактивного полупроводникового вещества.

1 – изолирующая подложка; 2 – п/п слой; 3 – металлические электроды.

Когда фотосопротивление, включенное в цепь с источником напряжения, затемнено, то в цепи, а следовательно, и в фотосопротивлении течет ток , определяемый электрическим сопротивлением фоторезистора и приложенной к нему разностью потенциалов. Этот ток называют темновым. При падении на поверхность фотосопротивления лучистого потока интенсивностью ток возрастает, достигая значения (это возрастание идет не по линейному, а по более сложному закону). Разность между световым и темновым током и дает значение фототока:

т.е. тока, который образуется из освобожденных излучением носителей заряда. Величина , измеренная при определенных условиях, является важной характеристикой фотосопротивления.

Каждое сопротивление характеризуется рядом параметров, определяющих не только его свойства, но и пределы применимости. Важнейшими характеристиками фотосопротивлений являются:

1)вольтамперная характеристика, выражающая зависимость фототока от напряжения при постоянном световом потоке

при .

У большинства фотосопротивлений эта зависимость линейна и проходит через начало координат;

2) Световая характеристика, выражает зависимость фототока от величины светового потока при постоянном напряжении

при

— эта характеристика, как правило, нелинейная;

3) Удельная интегральная чувствительность – отношение фототока к величине светового потока при величине внешнего напряжения, приложенного к фотосопротивлению, равной 1В:

(мкА/лмВ)

4) Спектральная чувствительность – характеризует величину фототока от действия единицы лучистого потока определенной длины волны. Эта характеристика отражает тот факт, что фотосопротивление не в одинаковой мере чувствует излучение различных длин волн, рисунок 73.4 иллюстрирует это явление. На этом же рисунке показана зависимость фоточувствительности от длины волны (вообще говоря, максимум фоточувствительности приходится на край поглощения). На рисунке 73.5 показаны спектральные характеристики для различных фотосопротивлений.

Рисунок 73.4 Рисунок73.5

5) Постоянная времени – время, в течении которого фототок после прекращения освещения уменьшается в раз. Эта характеристика позволяет оценить степень инерционности фотосопротивления, т.к. после прекращения освещения избыточные носители не мгновенно, а в течении некоторого времени рекомбинируют друг с другом до тех пор, пока не установиться концентрация свободных носителей заряда, характерная для неосвещенного полупроводника (темновая концентрация ).

6) Частотная характеристика – также отражает инерционные свойства фотосопротивлений. Фотоэлектрическая инерционность приводит к тому, что когда на поверхность полупроводника падает переменный световой поток (модулированный свет ), то сила фототока зависит от частоты модуляции.

7) Пороговая чувствительность – минимальная величина светового потока, способного вызвать электрический сигнал, в 2-3 раза превышающий напряжение шума прибора.

8) Темновое сопротивление – сопротивление неосвещенного образца.

9) Номинальное напряжение – напряжение, при котором, рекомендуется использовать данное фотосопротивление.

В качестве материала для изготовления фотосопротивлений используется не любые полупроводниковые вещества, а только те из них, в которых фотопроводимость реально ощутима. К таким веществам относятся Se, Te, S, PbS, , CdS, PbTe, PbSe, CdS и др.

Фотосопротивления нашли широкое практическое применение в различных схемах измерения, автоматически и контроля.

По сравнению с вакуумными фотоэлементами с внешним фотоэффектом фотосопротивления имеют ряд преимуществ: значительно большую интегральную чувствительность, хорошие спектральные характеристики, высокую стабильность свойств, большой срок службы, малые габариты, простоту технологий изготовления. К недостаткам фотосопротивлений относятся их инерционность, отсутствие прямой пропорциональности между силой фототока и интенсивностью освещения, температурная значимость.

Дата добавления: 2015-02-10 ; просмотров: 8408 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Суть внутреннего фотоэлектрического эффекта состоит в том, что в результате поглощения света в объёме вещества появляются дополнительные носители тока (электроны), благодаря чему электрическая проводимость вещества увеличивается, а сопротивление, следовательно, уменьшается. Это явление и было положено в основу изготовления фотосопротивлений. Ниже приводится описание конструкций, свойств и области применения некоторых типов фотосопротивлений, выпускаемых нашей промышленностью.

Фотосопротивления имеют типовые обозначения: ФС-А1. ФС-А4, ФС-БО, ФС-Б2 и ФС-К0, ФМ-К1 и ФС-К2. Буквы ФС сокращенно обозначают фотосопротивление; А, Б, К — определяют тип фотосопротивления; цифры характеризуют конструктивное оформление.

Конструкция

Фотосопротивление состоит из светочувствительного слоя полупроводника толщиной около 1 микрона, нанесённого на стеклянную пластину. На поверхность полупроводника нанесены токонесущие электроды, обычно выполняемые из золота. Конструкция и схема включения фотосопротивления изображены на рис. 1.

Размеры светочувствительной площади фотосопротивлений весьма малы, благодаря чему габаритные размеры промышленных типов фотосопротивлений незначительны. Обычно чувствительный к свету элемент монтируется в пластмассовый корпус с электродами, рассчитанными на включение в специальную панель.

Светочувствительная поверхность фотосопротивлений заливается толстым слоем прозрачного лака.

На рис. 2 изображены конструкции промышленных типов фотосопротивлений, а в табл. 1 приводятся данные о размерах их светочувствительной поверхности и омическом сопротивлении.

Тип фотосопротивления	Рабочая площадь, мм 2	Темновое сопротивление, Ом
ФС-А1	4х7	10 4 -10 5
ФС-Б2	11х11	10 5 -10 7
ФС-К1	4х7,2	≥ 10 7
ФС-К2	4х7,2	≥ 10 6

Вольтамперная характеристика. На рис. 3 изображена типичная для всех фотосопротивлений вольтамперная характеристика.

Мерой чувствительности фотосопротивлений является разность токов в темноте и на свету (фототок), отнесённая к величине светового потока. Как видно из рис. 3, фототок у фотосопротивлений не имеет насыщения, благодаря чему у них чувствительность пропорциональна приложенному напряжению. В связи с этим для характеристики качества фотосопротивлений введена удельная чувствительность, представляющая собой чувствительность в микроамперах на люмен, отнесенная к одному вольту приложенного напряжения.

Световая характеристика. Зависимость фототока от интенсивности освещения у фотосопротивлений имеет нелинейный характер. Максимальная крутизна, а следовательно, и чувствительность лежит в области малой освещенности, по мере же увеличения интенсивности освещения чувствительность падает.

Нелинейность световой характеристики фотосопротивлений нежелательна, и её стремятся устранить. Для суждения о величине нелинейности наиболее чувствительных фотосопротивлений на рис. 4 приведены световые характеристики ФС-К1 и ФС-К2, снятые в широком интервале освещённостей.

При необходимости величину светового потока или освещенность можно легко определить по следующей формуле:

где S — площадь светочувствительного слоя ФС в см 2 , L — освещённость в люксах.

Чувствительность. Удельная чувствительность фотосопротивлений весьма велика. Максимальную чувствительность определяет допустимое предельное рабочее напряжение, которое для различных фотосопротивлений различно.

Наиболее чувствительными в настоящее время являются фотосопротивления типа ФС-КВ, у которых чувствительность достигает 1200000 микроампер на люмен. Для сравнения можно указать, что чувствительность вакуумных фотоэлементов типа СЦВ равна всего 100 мкА/лм.

Следует подчеркнуть, что для фотосопротивлений типа ФС-А1 отнесение чувствительности к люменам является условным, поскольку их спектральная чувствительность лежит в невидимой инфракрасной области спектра.

Данные об удельной чувствительности, относительном изменении сопротивления получены при освещённости 200 люкс для ФС-А1 и ФС-Б2 и освещенности 100 люкс для ФС-К1 и ФС-К2.

Мощность рассеивания. Последние типы фотосопротивлений — ФС-К0, ФС-К1 и ФС-К2 — отличаются не только высокой чувствительностью, но и значительной мощностью рассеивания. Так, например, в импульсном режиме со временем импульса, не превышающим 3 сек., при напряжении 100 В эти фотосопротивления допускают фототоки до 20-25 мА.

Величины допустимых мощностей рассеивания для фотосопротивлений типа ФС-КО, ФС-К1 и ФС-К2 приведены в табл. 2.

Режим работы

Допустимая мощность рассеивания, Вт

ФС-К0 ФС-К1 ФС-К2 Постоянная нагрузка 0,2 0,1 0,15 Импульсная нагрузка, со скважностью 1:10 2,5 2,5 2,5

Спектральная чувствительность. Чувствительность фотосопротивлений к различным участкам спектра различна. Как это видно из рис. 5, фотосопротивления имеют различную чувствительность в видимой области спектра. Кривая 1 для фотосопротивлений типа ФС-А1, кривая 2 = ФС-Б2, кривая 3 = ФС-К1, кривая 4 = ФС-К2. Фотосопротивления типа ФСК-M1 обладают чувствительностью не только в видимой области спектра, но и захватывают область рентгеновского излучения и даже гамма-лучей. Существуют также фотосопротивления, обладающие чувствительностью в области более длинных волн (до 6,5 микрон). При такой чувствительности фотосопротивления способны «чувствовать» инфракрасное излучение человека.

Инерционность. Все фотосопротивления отличаются относительно высокой инерционностью, которая проявляется в том, что при освещении фототок в фотосопротивлениях не сразу достигает своего конечного значения (см. рис. 6).

При прекращении освещения ток достигает своего первоначального значения также не мгновенно, а по истечении определенного времени. Характерным является то, что процесс нарастания фототока протекает быстрее, чем процесс спадания. Принимая ход спадания следующим по экспотенциальному закону, за меру инерционности приняли время, в течение которого фототок уменьшается в е раз (е = 2,7). Это время получило название «постоянной времени», которая у различных фотосопротивлений различна и может зависеть, кроме того, от интенсивности света. Особенно сильно это обстоятельство выражено у фотосопротивлений типа ФС-К, у которых с уменьшением количества света постоянная времени растёт и при 10 -8 люмена может достигнуть нескольких минут.

Тип фотосопротивления	Постоянная времени, сек.
ФС-А1	4*10 -5
ФС-Б2	1*10 -3
ФС-К1	20*10 -3
ФС-К2	30*10 -3

В табл. 3 приведены величины постоянной времени для промышленных типов фотосопротивлений, а на рис. 7 — их частотные характеристики при модуляции светового потока до 10000 Гц.

Фотосопротивления весьма стабильны в работе. Характер их поведения под непрерывной нагрузкой изображён на рис. 8. Их свойства остаются неизменными и при длительном хранении, а также при работе в условиях до 80% относительной влажности.

Основными областями применения фотоэлементов являются звуковое кино и фотоэлектрическая автоматика.

Применение фотосопротивлений в звуковом кино весьма ограничено. Так, для этой цели могут быть использованы только фотосопротивления типа ФС-А. Как показал опыт, снижение отдачи у них на частотах модуляции света больше 1000 Гц может быть легко скомпенсировано.

К достоинствам ФС при применении их в звуковом кино следует отнести большую чувствительность, или отдачу, и полное исключение всех помех на входе усилителя. Последнее связано с малой величиной сопротивления ФС.

Основным недостатком их является различная чувствительность по спектру, благодаря чему снижается отдача при чтении звука на цветной фонограмме. При чёрно-белой фонограмме этот недостаток отсутствует.

На рис. 9 и 10 приведены нагрузочные характеристики, полученные экспериментально при определении величины полезного сигнала в статическом режиме для фотосопротивлений типа ФС-А1 и ФС-К1. Величина полезного сигнала у ФС-К1 на сопротивлении нагрузки 1 МОм почти равна питающему напряжению. Заметим, что это имеет место при освещенности всего 110 люкс. При больших интенсивностях света кривая рис. 10 будет смещаться так, как это показано пунктиром.

На рис. 11 изображена зависимость величины полезного сигнала от освещения. По этим данным можно судить о величине могущих возникнуть нелинейных искажений из-за непропорциональности между фототоком и световым потоком.

В области фотоэлектрической автоматики применение фотосопротивлений ограничивается их инерционностью и зависимостью от температуры.

Использование фотосопротивлений в различных схемах фотореле открывает новые, дополнительные возможности для развития фотоэлектронной автоматики. Достоинствами фотосопротивлений здесь следует считать высокую чувствительность и малые размеры, позволяющие помещать их в труднодоступные для других фотоэлементов места, например под стрелку измерительного прибора. Сравнительно невысокое сопротивление допускает значительные расстояния между приёмниками света и исполнительным устройством без применения экранированных или специальных малоёмкостных кабелей.

Схема фотореле с фотосопротивлениями может принципиально не отличаться от таковых с применением вакуумных фотоэлементов. При фотосопротивлениях лишь нужно компенсировать напряжение смещения, возникающее вследствие наличия сопротивления, лежащего, например, для ФСА в пределах 10 4 -10 5 Ом.

На рис, 12 и 13 приведены схемы автоматических устройств с применением фотосопротивлений, предложенных Л. С. Генкиным.

Первый автомат предназначен для счета деталей различных размеров. Отличительной чертой его является использование одной лампы для работы двух электромагнитных реле.

Второй автомат предназначен для поддержания в бункере машины необходимого уровня материала.

С появлением фотосопротивлений ФС-К1 и ФС-К2 оказалось возможным осуществить схему фотореле для постоянного тока, состоящую всего из двух деталей: фотосопротивления и электромагнитного реле. Схема такого фотореле для переменного тока изображена на рис. 14. Отметим, что данная схема допускает параллельное включение нескольких фотосопротивлений.

Полупроводниковые фотосопротивления благодаря своей высокой чувствительности, стабильности в работе и малым размерам находят всё большее применение в промышленной автоматике и приборостроении. Так, на их основе созданы фотокопировальные станки; автоматы контроля температуры при горячем прокате металлов; блокировочные устройства в сортировочных автоматах для шарикоподшипниковой промышленности и контроль поверхности шариков; блокировка турбин на погасание факела; контроль задымлённости газов на теплоцентралях; автоматы для полиграфической промышленности.

Помимо этого, на основе фотосопротивлений создаются фотоэлектрические усилители, аппаратура для медицинских целей, читающие машины для слепых, аппаратура для контроля ряда неэлектрических величин и других автоматических устройств.

Страницы работы

Содержание работы

Лабораторная работа №51

Изучение характеристик фотосопротивлений.

Приборы и принадлежности: Измерительная установка в собранном виде, два выпрямителя на 12 вольт для питания фотосопротивления и осветительной лампы.

Целью работы является снятие световых и вольтамперных характеристик фотосопротивлений типа ФСК, одного из наиболее часто употребляемых в автоматике. На рис.1 представлена измерительная установка.

Рис.1. Схема измерительной установки

Осветитель и фотосопротивление установки смонтированы на оптической скамье и помещены в светонепроницаемый кожух. Осветителем служит лампа с силой света 21 кд. Световой поток, посылаемый лампой на фотосопротивление, можно вычислить по формуле:

где L — сила света источника,

ΔW — телесный угол, который в данной установке равен:

ΔW= .

Окончательно: Ф = SL / 2 ,

где S — активная площадь

фотосопротивления, равная для данной установки –6 м 2 ,

— расстояние между нитью лампы и окном фотосопротивления, измеряемое при каждом эксперименте по линейке, закрепленной на оптической скамье,

L — сила света лампы (21 кд в данной установке). Исследуемое фотосопротивление имеет темновое сопротивление 28 · 10 5 Ом и рабочее напряжение 2,8 В. Фотосопротивления относятся к классу полупроводников, т.е. их удельное сопротивление больше, чем у проводников (порядка 10 -7 Ом · м) и меньше, чем у изоляторов (порядка 10 12 Ом · м). Такие широкие различия по сопротивлению у трех групп твердых тел объясняет зонная теория твёрдого тела. На рис.2 представлены энергетические схемы трёх групп.

Рис.2. Энергетические схемы: а) проводников, б) полупроводников,

На энергетических схемах двойной штриховкой показана заполненная энергетическая зона, в которой находятся валентные электроны атомов твёрдого тела; одинарной штриховкой показана зона проводимости, в которой нет электронов, если атомы тела находятся в невозбуждённом состоянии. Между этими двумя зонами находится запрещенная зона, в которой у твёрдого тела, не имеющего примесей, нет электронов. Именно энергетическая ширина Е запрещенной зоны определяет собой различия между тремя классами твердого тела. У проводников Е = 0, и каждый электрон заполненной зоны, повысив свою энергию на сколь угодно малую величину, может перейти на близлежащий свободный электронный уровень; следовательно, каждый электрон может взять энергию от электрического поля и принять участие в общем направленном потоке заряженных частиц, т.е. электрическом токе. У изоляторов

Е = 5 эв и больше, т.е. Е столь велика, что ни один электрон заполненной зоны не может перейти в свободную зону проводимости ни под действием электрических полей обычной напряжённости, ни под действием видимого света, ни, тем более, под действием теплового движения при температурах, близких к комнатной. У полупроводников Е = 0,5 – 5 эв и хотя здесь электроны и не могут под действием только электрического поля обычной напряженности перейти из заполненной зоны в зону проводимости, но под действием видимого света и теплового движения при комнатных температурах этот переход становится возможным. Электроны, перешедшие в зону проводимости, могут брать сколь угодно малые порции энергии от электрического поля, т.к. в зоне имеется много уровней, свободных от электронов. Полупроводники только при температуре абсолютного нуля в полной темноте не проводят электрического тока, потому что в этих условиях в их заполненной зоне нет ни одного свободного уровня, а в зоне проводимости нет ни одного электрона. В качестве фотосопротивлений используются такие проводники, энергетическая ширина запрещенной зоны – Ε которых близка к энергии квантов видимого света. При освещении сопротивление таких полупроводников уменьшается. Интегральная чувствительность фотосопротивлений определяется величиной фототока, приходящегося на единицу светового потока: к = ( )

Электрический ток в фотосопротивлениях при напряжениях, близких к рабочему, подчиняется закону Ома и поэтому их интегральная чувствительность будет зависеть от приложенного напряжения.

=10см

=15см

=20см

=26см