Слайд 3
Багато сучасних систем рідко обходяться без таких радіодеталей, як фотоелементи. Різні датчики та вимірювачі освітленості містять фоторезистори. Вони добре підходять для виміру світлових величин. Розглянемо, що таке фоторезистор, з чого вони складаються і як влаштовані
Фоторезистор за своєю суттю це напівпровідниковий прилад, який під впливом світла здатний змінювати свою провідність або опір.
Їх відрізняє відсутність p-n переходу, що вільно використовується в сонячних фотопластинках.
А якщо немає p-n переходу, то такий елемент має властивість пропускати струм незважаючи на його спрямованість. Ця риса дає можливість використовувати їх в електричних ланцюгах змінного або постійного струму.
Слайд 4:
Від моделі до моделі змінюється форма корпусу або активний шар, але одне залишається незмінним. Це основа – підкладка з керамічного матеріалу.
На підкладці змійкою наносять методом напилення найтонший шар провідника із золота або платини.
Також у якості напівпровідників можуть бути використані різні типи фоторезистивних матеріалів.
Товщина фоточутливих шарів може бути від десятих долей мікрометра до десятків мікрометрів. Підкладками для моно- кристалічних шарів слугують кристалічні матеріали, а для полікристалічних – пластини з кераміки, плавленого кварцу або скла.
Слайд 5
У випадку коли необхідно зафіксувати видиме світло з довжинами хвиль які показані в таблиці, то частіше використовують Селенід Кадмія і Сульфат Кадмія
Для фіксації інфрачервоного випромінювання пластини можуть бути зроблені з:
германію в чистому вигляді або з додаванням невеликих домішок;
кремнієвими;
сульфіду свинцю та інших хімічних поєднань на його основі.
У чистому вигляді германій або кремній зустрічається в деталях, що мають внутрішній фотоефект.
Інші домішки можуть бути застосовані в пристроях із зовнішнім фотоефектом.
Перші серії фоторезисторів вироблялися сірчисто-вісмутованими, пізніше їх замінили на сірчисто-кадмієві та селенисто-кадмієві моделі , у яких виявилися набагато кращі параметри. У будь-якому випадку властивості залишаються незмінними.
Напилені, таким чином, шари, мають виведення на електроди, через які потрапляє електричний струм.
Слайд 6
Зверху всю конструкцію вміщують у корпус, захищений тонким шаром прозорого пластику, через який потрапляють світлові потоки.
Форма розміри та матеріал захисного корпусу можуть бути різними. Ці параметри визначаються виробником, виходячи із призначення фоторезистора та виглядають по-різному.
Слайд 7:
Будова звичайного фоторезистора може бути різного виконання:
у металевому корпусі;
у пластиковому корпусі;
відкритого типу.
Не завжди застосовується напилення металів. Струмопровідний шар може бути вирізаний із тонкого шару напівпровідника. Зустрічаються варіанти і плівкових фотодатчиків.
Слайд 8:
Розберемо як працює фоторезистор
Коли він неактивний це, насправді, діелектрик. Щоб пристрій почав проводити струм на нього має бути зовнішня дія. Теплове або, як у нашому випадку, світлове.
Фотони світла, потрапляючи на активний шар, насичують його електронами, тепер з'являється здатність пропускати електричний струм. Виникає пряма залежність, яку можна відобразити на графіку.
З графіка добре видно, що чим більше утворюється електронів, тим менший електричний опір напівпровідника. На цій властивості фоторезистора і ґрунтується принцип його роботи.
Причому ефект утворення електронів здатний викликати видимий спектр випромінювання так і інфрачервоний. В останньому варіанті вони здатні створювати значно більшу енергію.
Сприйнятливість фоторезистивного шару можна підняти за рахунок його легування різними добавками. Після такої обробки зменшуються фотоопір, але підвищується фоточутливість у видимих спектрах світла.
Цим елементам характерний процес старіння. Він виражається:
у зниженні омічного опору;
змінюється фотострум;
зростає чутливість.
Цей процес нетривалий за часом — кілька сотень годин і потім параметри стають стабільними.
Слайд 9
Причиною порушення у фоторезисторі закону Ома є обмеження струму просторовим зарядом, який утворюється за напруг на фоторезисторі, які перевищують величину
де Р – потік випромінювання на вході фоторезистора, τrel – час діелектричної релаксації фотопровідникового матеріалу, С – ємність виводів фоторезистора на одиницю площі його світлочутливої поверхні.
Електрони в твердому тілі, до якого прикладено електричне поле, беруть участь у двох рухах: індивідуальному хаотичному русі, зумовленому зіткненнями між собою та з атомами або іонами, які здійснюють теплові коливання; колективному дрейфовому русі у напрямку, протилежному напрямку прикладеного електричного поля
СЛАЙД 10
Між зіткненнями на довжині вільного пробігу електрони внаслідок передачі імпульсу від іншої частинки та прискорення в електричному полі можуть набувати досить великих швидкостей – до 108 см/c. У той же час середня швидкість електрона вздовж поля залишається незмінною. Дрейфова швидкість електронів в напівпровіднику залежить від рухомості електронів μе та напруженості прикладеного електричного поля Е. Формула дрейфової швидкості, у фоторезисторі, до якого прикладена напруга U і в якому відстань між електродами складає L показана на слайді
Рухомість електронів у різних напівпровідниках може відрізнятися більш, ніж у тисячу разів Відповідно у стільки ж разів відрізнятиметься час дрейфу електронів між електродами.
СЛАЙД 11
Фізичний зміст підсилення у фоторезисторі полягає у тому, що на один поглинутий фотон припадає G 1 (до 105 ) електронів, які проходять між електродами фоторезистора під час прикладання до них по стійної напруги U. Коефіцієнт підсилення фоторезистора є відношенням часу життя нерівноважного електрона (неосновного носія у р-напів-провіднику) до часу дрейфу електрона між електродами. Для фоторезисторів з селеніду кадмію та сульфіду кадміюкоефіцієнт підсилення може сягати 103 –104
СЛАЙД 12
Важливою характеристикою електронних приладів є добротність(добуток «підсилення×смуга частот»)
Діелектрична релаксація – це процес відновлення діелектричної проникності матеріалу після впливу на матеріал електричного поля, у тому числі – поля світлової хвилі.
Слайд 13
Загалом усі фоторезистори поділені на дві основні групи:
Які мають внутрішній фотоефект.
І які мають зовнішнім фотоефект.
Відрізняються технологією виробництва, а якщо точніше — самим складом фоторезисторного шару. Хоча за принципом спрацьовування і підключення ці два види не відрізняються — внутрішній опір зменшується зі збільшенням інтенсивності світлового потоку, що падає на них.
Слайд 14
Фоторезистор із внутрішнім фотоефектом
Власні фоторезистори виготовляються із чистих напівпровідникових матеріалів, таких як кремній чи германій. Зовнішня оболонка будь-якого атома здатна утримувати до восьми валентних електронів. Однак у кремнії чи германії кожен атом складається з чотирьох валентних електронів. Ці чотири валентні електрони кожного атома утворюють чотири ковалентні зв'язки з сусідніми чотирма атомами, щоб повністю заповнити зовнішню оболонку. У результаті жоден електрон не залишається вільним.
Коли ми застосовуємо світлову енергію до фоторезистора з внутрішнім ефектом, тільки невелика кількість валентних електронів отримує достатньо енергії і звільняється від батьківського атома. Отже, генерується невелика кількість носіїв заряду. У результаті через внутрішній фоторезистор протікає лише невеликий електричний струм.
Внутрішні фоторезистори менш чутливі до світла, тому вони не є надійними для практичного застосування.
Слайд 15
Фоторезистори із зовнішнім фотоефектом виготовлені із зовнішніх напівпровідникових матеріалів. Розглянемо приклад зовнішнього фоторезистора, виготовленого з комбінації атомів кремнію та домішки фосфору.
Кожен атом кремнію складається із чотирьох валентних електронів, а кожен атом фосфору складається з п'яти валентних електронів.
Чотири валентні електрони атома фосфору утворюють чотири ковалентні зв'язки з сусідніми чотирма атомами кремнію. Однак п'ятий валентний електрон атома фосфору не може утворювати ковалентний зв'язок з атомом кремнію, оскільки атом кремнію має лише чотири валентні електрони. Отже, п'ятий валентний електрон кожного фосфору атома звільняється від атома. Таким чином, кожний атом фосфору генерує вільний електрон.
Вільний електрон, що генерується, стикається з валентними електронами інших атомів та робить їх вільними. Аналогічно, один вільний електрон генерує кілька вільних електронів. Отже додавання невеликої кількості домішкових (фосфорних) атомів генерує мільйони вільних електронів.
У зовнішніх фоторезисторах вже є багато носіїв заряду. Отже, забезпечення невеликої кількості світлової енергії генерує ще більше носіїв заряду. Таким чином, електричний струм швидко зростає.
Збільшення електричного струму означає зниження опору. Опір зовнішнього фоторезистора швидко зменшується з невеликим збільшенням прикладеної світлової енергії. Зовнішні фоторезистори надійні для практичного застосування.
СЛАЙД 16
Хоча більшість фоторезисторів є досить інерційними фотоприймачами, але завдяки своїй чутливості, широкій спектральній характеристиці в інфрачервоному діапазоні та простоті конструкції вони знайшли застосування в таких приладах як:
експонометри цифрових камер;
інфрачервоні спектрометри;
теплові головки самонаведення ракет;
багатозонні матричні фотоприймачі;
оптрони та фотореле (які включають світло на вулицях та стоять у турнікетах метро);
датчики відкритого полум’я;
вимірювачі концентрації цукру у рідині;
датчики вологості речовин за відбитим випромінюванням
Наприклад, чутливість охолодженого до 77 К фотоприймача на основі InSb (Стибій індію) дозволяє зареєструвати полум’я сірника на відстані 12000 км.
СЛАЙД 17
Ці елементи мають істотний недолік — гранична частота. Вона визначає максимальну частоту синусоїдального сигналу, яким регулюється світловий потік.
В результаті істотно знижується чутливість приладу. Відповідно знижується і швидкодія приладів, де потрібно реагувати близько десятка мікросекунд — 10^(−5) з.
Також проявляється деяка інерційність датчиків з урахуванням фоторезисторів. Відбувається запізнення сигналу, а це негативно впливає на швидкодію пристроїв.
Але є й позитивні сторони.
При низькому порозі чутливості фоторезистор недорогий та його підключення виправдане високою надійністю. Найчастіше, навіть корисно, що спрацювання фотоелемента відбувається не миттєво, а по наростаючій, поступово. Ця особливість дає можливість застосування цих деталей у приладах аналогового типу – різноманітні датчики та вимірювачі освітленості.