4.4. Фоторезисторы

Фоторезисторы – полупроводниковые приборы с однородной (гомогенной) структурой, которые принципиально отличаются от других типов фотоприемников.

Принцип действия основан на эффекте фотопроводимости, т.е. на изменении проводимости полупроводника при его освещении.

Полупроводниковые фоторезисторы работают в цепях как постоянного, так и переменного тока. Техническими условиями допускается так же использование фоторезисторов в импульс­ных режимах, при средней мощности рассеяния, не превышаю­щей максимально-допустимого значения. Фоторезисторы могут работать при больших интенсивностях света, при условии не превышения предельного значения фототока и мощности рассеяния.

Благодаря высокой чувствительности, простоте и разнооб­разию конструкций фоторезисторы имеют широкое примене­ние в радиоэлектронике. Основными областями применения являются: системы фотоэлектрической автоматики и телеме­ханики, измерительные приборы, экспонометрические прибо­ры и фотодатчики, системы теле контроля, а так же тепловизионная аппаратура промышленного, медицинского и оборонно­го назначения [36].

Обладая повышенной допустимой мощностью рассеивания по сравнению с некоторыми типами фотоэлементов, фоторезисторы позволяют создавать простые и надежные фотореле без усилителей тока. Такие фотореле незаменимы в устройствах для телеуправления, контроля и регулирования, в автоматах для разбраковки, при сортировке и счете готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей. Широко используются фоторезисторы в полиграфической промышленности для обнаружения обрывов бумажной ленты и контроля за количеством листов, подаваемых в печатную машину. В измерительной технике фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах. Контроль уровня жидкости и сыпучих тел, защита персонала от входа в опасные зоны, контроль за запыленностью и задымленностью самых различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене – вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов.

Фоторезисторы обладают высокой чувствительностью, стабильностью, экономичны и надежны в эксплуатации. В целом ряде случаев они с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.

Для изготовления серийных фоторезисторов используются различные типы материалов: сернистый кадмий (CdS), селенис­тый кадмий (CdSe), сернистый свинец (PbS) и селенид свинца (PbSe). Фоторезисторы чувствительные к инфракрасному излу­чению длинноволнового диапазона изготавливают на основе со­единения кадмий-ртуть-теллур и антимонида индия (InSb) [37].

Светочувствительный элемент в некоторых типах фоторезисторов выполнен в виде круглой или прямоугольной таблетки, спрессованной из порошкообразного сульфида или селенида кадмия, корпусированного и имеющего штыревые выводы, или он представляет собой тонкий слой полупроводника, нанесенного на стеклянное основание с токонесущими выводами.

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рисунках 4.16 и 4.17 [38].

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (см. рис. 4.18) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток:

Рис. 4.16. Структура монокристаллического фоторезистора

подложка

Рис. 4.17. Структура пленочного фоторезистора

,

где: Е – э.д.с. источника питания;

R_Т – величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением;

R_Н – сопротивление нагрузки.

Рис. 4.18. Схема включения для измерения параметров и характеристик фоторезисторов

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток:

,

где R_С – величина электрического сопротивления фоторезистора при наличии света.

Разность между световым и темновым током дает значение тока I_ф, получившего название первичного фототока проводимости:

.

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине светового потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины потока фотонов увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет достаточно большую инерционность фоторезистора.

К основным характеристикам фоторезисторов относятся:

• ВАХ;

• световая;

• спектральная;

• частотная.

ВАХ характеризует зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения (см. рис. 4.19).

Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе. Эта характеристика линейна в довольно широких пределах. Для некоторых типов фоторезисторов при напряжениях меньше рабочего наблюдается нелинейность.

Световая (люксамперная) характеристика показывает зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава (рис. 4.20).

Рис. 4.19. Вольтамперная характеристика фоторезистора

Рис. 4.20. Световая характеристика фоторезистора

Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику. Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон световой характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.

Спектральная – характеризует чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны (рис. 4.21). Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента.

Как видно из этих характеристик, фоторезисторы с сернисто-кадмиевым светочувствительным элементом имеют максимальную чувствительность в видимой части спектра, фоторезисторы, выполненные на основе селенистого кадмия, наиболее чувствительны к красной и инфракрасной части спектра, а сернисто-свинцовые – имеют максимум чувствительности в инфракрасной области спектра.

Рис. 4.21. Спектральные характеристики фоторезисторов из различных материалов

Частотная характеристика показывает чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока – с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (см. рис. 4.22).

Инерционность ограничивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.

Рис. 4.22. Частотные характеристики фоторезисторов

К основным параметрам фоторезисторов относятся [39].

1. Темновое сопротивление R_Т – сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности. У некоторых типов фоторезисторов темновое сопротивление может иметь значительный разброс.

2. Световое сопротивление R_С – сопротивление фоторезистора, измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

3. Кратность изменения сопротивления K_R – отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению). Это один из важнейших параметров, характеризующий чувствительность фоторезистора. С увеличением освещенности кратность возрастает по линейному закону, с уменьшением – снижается.

Наименьшей чувствительностью обладают сернисто-свинцовые фоторезисторы, у которых кратность при освещенности 200 лк не ниже 1,2. У остальных типов фоторезисторов чувствительность значительно выше.

4. Допустимая мощность рассеяния ­– мощность, позволяющая длительную эксплуатацию фоторезистора при температуре +20 °С в окружающей среде без опасности появления необратимых изменений в светочувствительном слое.

5. Общий ток фоторезистора – ток, состоящий из темнового тока и фототока:

.

6. Фототок – ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

7. Удельная чувствительность – отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока и приложенного к нему напряжения, мкА/(лм·В):

,

где I_ф – фототок, равный разности токов, протекающих через фоторезистор в темноте и при определенной освещенности (200 лк), мкА; Ф – падающий световой поток, лм;

U – напряжение, приложенное к фоторезистору, В.

8. Интегральная чувствительность – произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение:

.

Чувствительность фоторезисторов меняется (уменьшается) в первые 50 часов работы, оставаясь в дальнейшем практически постоянной в течение всего срока службы, измеряемого несколькими тысячами часов.

9. Постоянная времени τ_ф – время, в течение которого фототок изменяется на 63%, т.е. в e раз. Постоянная времени характеризует инерционность прибора и влияет на вид его частотной характеристики.

При включении и выключении света фототок возрастает до максимума и спадает до минимума не мгновенно (см. рис. 4.23).

Рис. 4.23. Кривая релаксации фототока

Здесь I_ф – стационарное значение фототока при освещении. Характер и длительность кривых нарастания и спада фототока во времени существенно зависят от механизма рекомбинации неравновесных носителей в данном материале, а также от величины интенсивности света. При малом уровне инжекции нарастание и спад фототока во времени происходит по экспоненте с постоянной времени, равной времени жизни носителей в полупроводнике.

10. Рабочее напряжение U_раб – постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях (гарантирующее продолжительную работу фоторезистора). При работе в импульсном режиме у сернисто-кадмиевых и селенисто-кадмиевых фоторезисторов допустимое напряжение может в 2...3 раза превышать рабочее. У сернисто-свинцовых фоторезисторов рабочее напряжение можно принять равным 0,1·R_Т, где R_Т – сопротивление в кОм.

11. Максимально допустимое напряжение фоторезистора U_max – максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

12. Интервал рабочих температур для сернисто-кадмиевых фоторезисторов составляет от -60 до +85 °С, для селенисто-кадмиевых – от -60 до +40 °С и для сернисто-свинцовых – от -60 до +70 °С.

13. Для каждого типа фоторезисторов в справочных данных указываются область спектральной чувствительности и максимум спектрального распределения фоточувствительности. Фоторези­сторы, изготовленные из кадмиевых соединений (CdS или CdSe), имеют чувствительность в видимой области спектра от 0,3 до 1,1 мкм. Приборы на основе соединений свинца (PbS, PbSe) обла­дают чувствительностью к инфракрасному излучению в диапазо­не от 0,5 до 4,6 мкм.

14. Промышленные типы фоторезисторов достаточно стабильны при хранении в темноте. В процессе эксплуатации стабильность параметров фоторезисторов, в основном, определяется выделяемой мощностью рассеивания и значением освещенности: при незначительной освещенности и мощности рассеивания фотопроводимость мало изменяется, а при больших значениях, близкой к допустимой, фотопроводимость уменьшается, в основном в начальный период работы. Уменьшение может достигать 20...30 %. Изменение фотопроводимости вызвано двумя причинами: разогревом светочувствительного слоя – усталостью и происходящими необратимыми физико-химическими процессами – старением. После длительного пребывания фоторезисторов в темноте в нерабочем состоянии фотопроводимость обычно возрастает. Восстанавливается та часть, которая была вызвана усталостью.

Для стабилизации работы фоторезисторов применяют искусственное старение, которое осуществляется на предельной допустимой мощности рассеивания.

15. Фоторезисторам присущи собственные шумы. Они зависят от напряжения, освещенности, температуры и конструкции фоторезистора. Фоторезисторы с электродами, выполненными из индия и золота, имеют наименьший уровень шума [37].

Старое обозначение фоторезисторов расшифровывается следующим образом:

ФС _{└─┘└─┘└─┘}.

За буквами ФС, указывался материал фоточувстви­тельного элемента: K – CdS, Д – CdSe, A – PbS. Далее шли цифры – указа­ние на конструктивное оформление фоторезистора, иногда пе­ред цифрой стояла буква Г (герметизированный) или П (пленочный), т.е. характеризующие конструктивное исполнение, и означающие, что конструкция гер­метизирована для условий тропического климата и повышен­ной влажности.

Новое обозначение фоторезисторов состоит из букв ФР и но­мера разработки.

Например, ФР-193Д означает: фоторезистор с номером разработки 193, группы Д.

Название типа фоторезисторов слагается из букв и цифр, причем в старых обозначениях буквы А, К и Д обозначали тип использованного светочувствительного материала, в новом же обозначении эти буквы заменены цифрами.

В таблице 4.4 приведены наименования наиболее распространенных обозначений фоторезисторов, а в таблице 4.5 – параметры некоторых моделей фоторезисторов.

Среди фоторезисторов следует особо отметить конструкцию ФСК-6, приспособленную для работы от отраженного света, для чего его корпус имеет в центре отверстие для прохождения света к отражающей поверхности. Выпускаются фоторезисторы в металлическом корпусе с цоколем, напоминающим ламповый, или в корпусе, как у герметизированных конденсаторов или транзисторов. Малогабаритные пленочные фоторезисторы выпускаются в пластмассовых и металлических корпусах с влагозащитным покрытием светочувствительного элемента прозрачными эпоксидными смолами [39].

Таблица 4.4.

Типовые обозначения фоторезисторов

Вид фоторезисторов	Обозначение
Сернисто-свинцовые	ФСА-0; ФСА-1; ФСА-6; ФСА-Г1; ФСА-Г2
Сернисто-кадмиевые	ФСК-0,1,2,4,5,6,7; ФСК-Г1; ФСК-Г2; ФСР-Г7; ФСК-П1; СФ2-1, 2, 4, 9, 12
Селенисто-кадмиевые	ФСД-0; ФСД-1; ФСД-Г1; СФ3-1,8

Таблица 4.5.

Параметры представителей фоторезисторов

Тип	Параметр	Значение
ФР-764,765 селенисто-кадмиевые, герметизированные	Температура окр. ср.	-60...+85 С
	RТ	2 ... 3,3 МОм
	Uраб	До 50 В
	Рном	До 350 мВт
	IТ	10 мкА
	RТ /RСВ	Не менее 150
ФСА-0,1 сернисто-свинцовые	Температура окр. ср.	-60...+70 С
	RТ	40 кОм ... 1 МОм
	Uраб	До 100 В
	Рном	До 10 мВт
	RТ /RСВ	Не менее 1,2
СФ2-5А герметичный	RТ	1 МОм
	Uраб	До 1,3 В
	Рном	До 25 мВт
	IТ	До 3 мкА
	IФ (200 лк)	До 500 мкА
	D	До 10 мкВ/В
	max	0,55 мкм
	τф	2 с
	RТ /RСВ	Не менее 384
ФСК-0,1 сернисто-кадмиевые	Температура окр. ср.	-60...+40 С
	RТ	5 МОм
	Uраб	До 50 В
	Рном	До 125 мВт
	IТ	До 10 мкА
	IФ	До 2000 мкА
	RТ /RСВ	Не менее 200

Фоторезисторы выпускаются в пластмассовом или металлическом корпусе, а так же в бескорпусном варианте. Большинство приборов являются неохлаждаемыми, т.е. предназначены для работы при температуре окружающей среды. Но вы­пускается целый ряд приборов охлаждаемых, работа которых возможна только после заливки в специальный сосуд хлада­гента, предназначенного для охлаждения фоточувствительно­го элемента.

Таким образом, при простоте конструкции, малых габаритах и массе, больших значениях фоточувствительности, фоторезисторы обладают небольшим быстродействием порядка 10^-2...10^-4 с.

Контрольные вопросы

1. Какова структура терморезистора?

2. Как проконтролировать сопротивление терморезистора?

3. При каких условиях срабатывает пожарная сигнализация, датчиком которой служит терморезистор?

4. Каков температурный рабочий диапазон терморезисторов?

5. Какие недостатки у терморезисторов? Какова их физическая причина?

6. Для чего служат варисторы?

7. Как измерить сопротивление варистора?

8. В чем сложность изготовления варисторов?

9. Какие материалы используются при производстве варисторов?

10. Какой параметр характеризует интенсивность теплоотдачи варистора при перенапряжении?

11. На что влияет собственная емкость варистора?

12. Чем определяется нагрузочная способность магниторезистора?

13. Что такое тензодатчики и каков их принцип действия?

14. Что определяет подвижность электронов в материале магниторезистора?

15. Для чего магниторезисторы изготавливаются в виде меандра?

16. Для чего служат многоэлектродные магниторезисторы?

17. Что характеризуют темновые характеристики фоторезистора?

18. На каком фотоэффекте работает фоторезистор и в чем особенности его работы?

19. Почему быстродействие фоторезистора невелико по сравнению с другими полупроводниковыми нелинейными резисторами?

20. Чем объясняется нелинейность световой характеристики фоторезистора?

21. Для чего необходимо охлаждение некоторых моделей фоторезисторов?

Литература

1. Бондаренко И.Б., Гатчин Ю.А., Дукельский К.В. Электрорадиоэлементы и передача данных в компьютерных системах: Методические указания к лабораторным работам. – СПб.: СПб ГУ ИТМО, 2008. – 35с.

2. ГОСТ 28883-90 (МЭК 62-74) Коды для маркировки резисторов и конденсаторов.

3. www.promelec.ru – резисторы постоянного сопротивления.

4. Резисторы: Справочник/В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991. – 528 с. ISBN 5-256-00374-7.

5. Свитенко В.И. Электрорадиоэлементы – М: Высшая школа, 2000.

6. Рычина Т.А., Зеленский А.В. Устройства функциональной электроники и электрорадиоэлементы . - М.: Радио и связь, 1999. - 352с.

7. Волгов В.А. «Детали узлы радиоэлектронной аппаратуры».-М. Энергия, 1967.

8. К. С. Петров «Пассивные компоненты радиоэлектронной аппаратуры» http://dvo.sut.ru/libr/eqp/031/index.htm.

9. http://www.audiomania.ru/rezistor/.

10. Проволочные резисторы. М., 1970 Иванов Д.М. и др. Переменные резисторы. М., 1981 Зайцев Ю.В. и др. Полупроводниковые резисторы в электротехнике. М., 1988.

11. http://www.i-electric.ru/content.html?cid=136.

12. С.С. Боровик, М.А. Бродский. «Ремонт и регулировка бытовой радиоэлектронной аппаратуры». Минск; «Высшая школа», 1989г.

13. http://ukrsk.com.ua/rezistory_R2-67.html.

14. www.radiocomp.net.

15. http://www.tenzo-pribor.ru/production/tenzo/1/.

16. http://ru.wikipedia.org/wiki/Термистор.

17. Шашков А.Г. Терморезисторы и их применение. М.1967.

18. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 5-е изд., исправленное. – СПб.: Издательство «Лань», 2001.–480с.

19. http://window.edu.ru/window_catalog/files/r20155/rsu459.pdf.

20. МРБ 1203. Аксенов А.И., Нефедов А.В. Элементы схем бытовой радиоаппаратуры (конденсаторы, резисторы)- Справочник.

21. Резисторы Справочник. Четвертков И.И. (1987).

22. http://www.electrosad.ru/Electronics/termSpr.htm.

23. Гендин Г.С. Все о резисторах. Справочник. – М.: Горячая линия-Телеком, 1999. ППЗУ–192с.

24. http://www.proton-impuls.ru/stati/opvv.htm.

25. http://ru.wikipedia.org/wiki/Варистор.

26. ТУ 11-85. Варисторы постоянные СН2-1. Технические условия. ОЖО.468.171.

27. ТУ 11-85. Варисторы постоянные ВР-1. Технические условия. ОЖО.468.227.

28. ТУ 11-85. Варисторы постоянные СН2-2. Технические условия. ОЖО.468.205.

29. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. СПб.: Лань. – 2006. – 479 с.

30. Квасков В.Б. Полупроводниковые приборы с биполярной проводимостью.-М : Энерго- атомиздат. 1988.-128 с.: ил.

31. Пантелеев В.А. Вольтамперные характеристики силовых варисторов. В кн.: Проблемы освоения природных ресурсов Европейского Севера. Ухта: Изд. УИИ, 1996. с. 12 – 17.

32. P. S. Kireev Semiconductor physics, 2nd ed.. — Moscow: Mir Publishers, 1978. — С. 696.

33. B. M. Askerov Electron Transport Phenomena in Semiconductors, 5-е изд.. — Singapore: World Scientific, 1994. — С. 416.

34. Бараночников М.Л. «Микромагнитоэлектроника» ДМК Пресс, 2001. – 544 с.

35. Г. И. Котенко «Магниторезисторы» Л., «Энергия», 1972. 80 с.

36. Микроэлектроника. Оптимизация маскирования фоторезисторами в технологии КМОП - интегральных схем. т. 31, №4 2002.

37. Электроника. Известия вузов. №3 2001.

38. Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники. – К.: Вища школа. 1989. – 423 с.

39. Юшин А.М. Оптоэлектронные приборы и их зарубежные аналоги. Т.3– М.; Радио Софт , 2000. – 512 с.

40. www.chipdip.ru.

41. http://www.elbase.ru/products/index/684.

42. http://www.giricond.ru/production/resistors/folder_1282851641.

43. http://www.giricond.ru/production/resistors/thermoresistors_ negative_tcr/].

44. http://www.electricalschool.info/main/59-klassifikacija-rezistorov-po.html.

45. Самардак А., Огнев А. Эпоха гигантских эффектов// Компьютерра, №10 от 16 марта 2006 года.

46. Э.М. Эпштейн. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. – М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А.М. Прохоров. 1988.

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»