Полупроводниковые фоторезисторы

Фоторезисторы являются полупроводниковыми приборами, сопротивление которых зависит от освещенности, то есть принцип их действия основан на фоторезистивном эффекте (изменении проводимости полупроводникового материала, обусловленного действием электромагнитного излучения и не связанного с нагреванием). Различают положительный фоторезистивный эффект, сопровождающийся увеличением проводимости, и отрицательный, когда проводимость уменьшается. В полупроводниковых материалах, используемых для получения фоторезисторов, обычно используется положительный фоторезистивный эффект.

Основной частью конструкции фоторезистора является полупроводниковый фоточувствительный слой, который может быть выполнен в виде монокристаллической или полукристаллической пластинки полупроводника либо в виде полукристаллической пленки полупроводника, нанесенной на диэлектрическую подложку. В качестве полупроводникового материала часто используют сульфид кадмия, селенид кадмия, сульфид свинца и др. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды (иногда электроды наносят перед формированием пленочного РЭ на диэлектрическую подложку). Подложку или пластину со сформированными РЭ и электродами обычно помещают в пластмассовый либо металлостеклянный корпус.

Исследования свойств различных полупроводниковых материалов привели к созданию сернистоталлиевых фоторезисторов – таллофидов с лучшей удельной интегральной чувствительностью.

Преимущество фоторезисторов (по сравнению с вакуумными аналогами) состоит в том, что они дают возможность получать фототоки, измеряемые миллиамперами, и осуществлять простую и надежную конструкцию прибора, например, фотореле. Большинство выпускаемых фоторезисторов могут работать при питании схем непосредственно от сети (220, 127 В), т.е. не требуют специальных понижающих трансформаторов.

Полупроводниковые фоторезисторы, например, на основе Zn, Sb, In, As, Ge (легированной Zn) и др. обладают высокой чувствительностью к излучению в широком диапазоне длин волн – от инфракрасной области до рентгеновских и гамма-лучей, они стабильны в работе, имеют простую конструкцию и малые габариты. Все это позволяет применять фоторезисторы в самой разнообразной аппаратуре, например, в качестве приемников излучения, в том числе в оптопарах; для регистрации излучений и т.д.

Основные параметры фоторезисторов

Основными параметрами полупроводниковых фоторезисторов являются: темновое сопротивление, кратность изменения сопротивления, темновой и световой ток, удельная и интегральная чувствительность, номинальная мощность рассеяния, рабочее напряжение, постоянная времени. Для их определения важно знать вольтамперные, световые (люксамперные) и спектральные характеристики фоторезистора.

Темновое сопротивление – это сопротивление фоторезистора при полной защите чувствительного элемента от излучения.

Кратность изменения сопротивления характеризует чувствительность фоторезистора, показывая степень изменения сопротивления фоторезистора под действием определенного светового потока; обычно это отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при освещенности в 200 лк от источника с цветовой температурой 2850К.

Темновой ток фоторезистора ограничивается верхним предельным значением тока, причем его минимальное значение может быть на 1-2 порядка меньше указанного предельного значения.

Световой ток фоторезистора в соответствии с ГОСТом определяют при рабочем напряжении и освещенности в 200 лк от источника света с цветовой температурой 2850К. Часто для фоторезисторов устанавливают только нижний предел светового тока.

Удельная интегральная чувствительность фоторезистора характеризуется отношением фототока ΔI, к величине падающего на него светового потока Ф и приложенному к нему напряжению U; К= ΔI/ФU, где ΔI – фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору при определенной освещенности (200 лк) и в темноте. Чувствительность называют интегральной потому, что ее измеряют при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава.

Номинальной мощностью рассеяния фоторезистора называют максимально допустимую мощность, которую фоторезистор может рассеивать при непрерывной электрической нагрузке, а также температуре и давлении окружающей среды, указанной в технической документации и напряжении на фоторезисторе, не превышающем предельного.

Рабочее напряжение фоторезистора – это напряжение, при котором фоторезистор работоспособен в течение данного срока службы.

Спектральная характеристика – это зависимость фототока от длины волны падающего на фоторезистор света, она определяет чувствительность фоторезистора при воздействии на него излучения соответствующей длины волны и зависит от свойств материала, используемого для светочувствительного элемента.

Минимальную частоту, при которой имеет место внутренний фотоэффект, называют красной границей. У полупроводниковых материалов обычно эта граница лежит в инфракрасной области спектра.

Люксамперная характеристика фоторезистора представляет собой зависимость фототока (разности светового и темнового тока) от интенсивности падающего излучения при постоянном напряжении, приложенном к фоторезистору. Обычно у фоторезисторов зависимость фототока от интенсивности падающего излучения носит нелинейный характер. Маркировка специальных резисторов представлена в приложении 3.

Вольтамперная характеристика фоторезистора представляет собой зависимость светового тока при неизменной величине светового потока и темпового тока от приложенного к фоторезистору напряжения. У большинства пленочных и объемных фоторезисторов из поликристаллических полупроводниковых материалов РЭ, вольтамперные характеристики нелинейные, что связанно с межкристаллитными явлениями в материалах РЭ даже при малых напряжениях.