Изучение работы фотосопротивлений

Приборы и оборудование: выпрямитель, вольтметр, микроамперметр, реостат, сопротивление ФС-К1, осветительная система.

Цель работы: исследовать вольт–амперные и спектральную характеристики фотосопротивления.

Теоретическое введение

Фотопроводниками называются такие полупроводники, у которых величина электрического сопротивления изменяется при освещении их светом. Происходит это вследствие внутреннего фотоэффекта, заключающегося в следующем: если энергия кванта света hn превышает ширину запрещенной зоны, поглотивший этот квант электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока – электрон и дырка, что проявляется в увеличении электропроводности вещества. Если в веществе имеются примеси, то под действием света электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси или с примесных уровней в зону проводимости. Количество образующихся носителей тока пропорционально падающему световому потоку. В отличие от внешнего фотоэффекта носители тока остаются в объеме вещества.

На внутреннем фотоэффекте основано действие фотосопротивления (ФС). В большинстве случаев ФС представляет собой (рис. 6.13) нанесенный на изоляционную подложку 1 (стеклянную пластинку) тонкий слой из полупроводникового материала 2, на поверхности которого расположены электроды, подводящие ток 3. Пластинка вмонтирована в пластмассовый корпус 4. Электроды рассчитаны на включение в обычную радиоламповую панель. Приёмную площадь выполняют в виде квадрата, прямоугольника или круга.

Под действием света на ФС без внешнего напряжения электродвижущая сила не возникает, а это означает, что фототок не появляется. ФС имеет одинаковую проводимость в обоих направлениях. Фотосопротивления не превращают световую энергию в электрическую – они являются только световыми реле. При постоянном освещении ФС – это активные сопротивления. Протекающий по ним ток пропорционален приложенному напряжению.

При постоянном напряжении, приложенном к ФС, величина тока через сопротивление зависит от величины падающего светового потока. Чем больше поток, тем больше будет ток в цепи ФС. Затемненные ФС также пропускают через себя небольшой ток, который зависит от сопротивления в темноте, т.е. от темнового сопротивления. Оно может быть от десятков килоом до десятков мегаом, но значительно меньше, чем в вакуумных элементах. Сопротивление ФС в темноте всегда больше, чем при освещении. В некоторых веществах при переходе от темноты к интенсивному освещению величина сопротивления изменяется в десятки и сотни тысяч раз.

При падении светового потока на поверхность ФС его сопротивление уменьшается. Таким образом, при любой приложенной разности потенциалов ток, проходящий через ФС, увеличивается при возрастании интенсивности падающего светового потока и может достигать 30…50 мА. Время работы ФС в нормальном режиме не ограничено. ФС совсем не боится «засветки», т.е. они не имеют необратимой потери чувствительности при больших освещенностях. Вследствие высоких фотоэлектрических свойств, простоты обращения, низкой стоимости, а также небольшого внутреннего сопротивления и малой рабочей площади ФС широко используют при автоматизации (контроле и управлении) производственных процессов. Значительная температурная зависимость фототока в некоторых ФС является преградой для их применения при больших изменениях температуры. В настоящее время созданы малоинерционные ФС с малой температурной зависимостью и фототоком, пропорциональным световому потоку.

Основными параметрами ФС являются: удельная интегральная и спектральная чувствительности, максимальное рабочее напряжение, относительное изменение сопротивления, постоянная времени.

Удельная чувствительность. Поскольку фототок ФС пропорционален приложенному напряжению, то чувствительность принято характеризовать величиной K, выраженной в микроамперах, отнесенной к одному люмену и одному вольту:

где K – удельная чувствительность ФС; Di – разность фототоков при освещении и в темноте, мкА; U – приложенное напряжение, В; Ф = ES – световой поток, лм; S – площадь светочувствительного слоя, мм²; E – освещенность, лк.

ФС выходит из строя при приложенном напряжении выше некоторого U_max . Нельзя допускать доведения напряжения до этого значения.

Интегральная чувствительность определяется произведением удельной чувствительности на приложенное напряжение:

Максимальная чувствительность g достигается при предельно допустимом рабочем напряжении U_max.

Спектральная чувствительность . В зависимости от материала полупроводника ФС могут иметь разную чувствительность к разным длинам волн падающего света. Для ФС-К1 и ФС–Б2 максимум чувствительности лежит в области видимого света.

Относительное изменение сопротивления определяется формулой

где R_m и i_m – соответственно сопротивление и ток в темноте (для данного значения напряжения); R_c и i_c – сопротивление и ток при освещении фотосопротивления.

Постоянная времени, характеризующая инерционность фотосопротивления, измеряется временем, в течение которого после прекращения освещения фототок уменьшается в e = 2,7 раз. Приближенно этот процесс можно описать экспоненциальным законом. При увеличении освещенности постоянная уменьшается. По сравнению с вакуумными фотоэлементами ФС имеют большую инерционность.

Наиболее важными характеристиками ФС являются вольт–амперные и световые. Вольт–амперные характеристики выражают зависимость фототока от приложенного напряжения при постоянной величине светового потока
(E = const), обычно получают вольтамперные характеристики в темноте и при разных световых потоках. Из вольт–амперных характеристик следует, что, во-первых, ФС является линейным сопротивлением, которое подчиняется закону Ома, во-вторых, относительное изменение сопротивления при данной освещенности не зависит от приложенной разности потенциалов. Но величина фототока и относительное изменение сопротивления зависят от освещенности.

Если ФС затемнен, то ток i_m, пропорциональный приложенному напряжению, называется темновым и определяется величиной темнового электрического сопротивления данного ФС. Для различных типов ФС темновое сопротивление лежит в интервале от 10⁴ до 10¹⁷ Ом.

При падении светового потока на поверхность ФС ток возрастает до максимального значения, зависящего от освещенности и напряжения.
Вольт–амперная характеристика показывает основное отличие ФС от фотоэлементов с внешним фотоэффектом, которое состоит в том, что фототок ФС не имеет насыщения, и, значит, их чувствительность пропорциональна приложенному напряжению.

Световые характеристики, как и вольт–амперные, показывают другое отличие ФС от вакуумных фотоэлементов, которое состоит в отсутствии в ФС прямой пропорциональности между фототоком и освещенностью. При увеличении E фототок стремится к насыщению.

Из световой характеристики можно определить интегральную чувствительность ФС как величину фототока, отнесенную к величине светового потока, при максимальном рабочем напряжении, приложенного к ФС.

Спектральные характеристики ФС выражают зависимость фототока, приходящегося на единицу падающей энергии (спектральной чувствительности), от длины световой волны.

ФС является единственным прибором, спектральная чувствительность которого изменяется от инфракрасной области спектра до g–излучения.