Основні характеристики і параметри фото резисторів

 

Основними характеристиками фото резисторів є:

вольт-амперні характеристики – залежність світлового струму і теплового струму фото резистора від напруги, прикладеної до нього при постійному опроміненні.

Залежність темрявого струму від напруги знімається в абсолютній темряві і визначається в основному опором напівпровідника.

При різних світлових потоках в робочій частині вольт-амперної характеристики вона майже лінійна і тільки має на початку сублінійну частину, яка визначається в основному опором контактів напівпровідника з виводом, і опором між

 

 

 

Рисунок 78 Вольт-амперні характеристики фото резистора

 

кристалами структури.

При збільшенні напруги кількість електронів, яка проходить через напівпровідник, збільшується; зменшується доля опорів контакту; і при деякій напрузі кількість електронів критична, на фоторезистові виділяється велика кількість тепла, і характеристика переходить в над лінійну частину.

Люкс-амперна (світлова) характеристика – це залежність фотоструму від світлового потоку, який освітлює площу фото резистора. Як правило, у всіх фото резисторів ця характеристика сублінійна за рахунок того, що проходить розщеплення квазі рівнів Фермі в напівпровіднику, коли одночасно до валентної зони зміщуються рівні електронів і дірок напівпровідника. Друга причина сублінійності – зменшення рухливості заряду в напівпровіднику при збільшенні струму через напівпровідник.

 

Рисунок 79 Світлова характеристика фото резистора

 

Спектральна характеристика – це залежність фотоструму від довжини хвилі світлового потоку. При великих λ мала кількість електронів може перейти із валентної зони в зону провідності, тому що енергії кванта буде недостатньо для виконання роботи переведення.

Спектральна характеристика залежить від матеріалу, з якого зроблений фото резистор, і для них існують порогові довжини хвилі, які визначають при спаді фотоструму на 50%, починаючи зі сторони великих довжин хвиль.

При малих довжинах хвиль λ зростає струм фото резистора і збільшується показник поглинання, тому глибина проникнення квантів світла в напівпровідник зменшується і основна частина не рівноважних носіїв виникає тільки поблизу освітленої поверхні напівпровідника. При цьому зростає роль поверхневої рекомбінації, і зменшується середній час життя не рівноважних зарядів, тому максимальний струм через фото резистор досягає при деякій строго визначеній довжині хвилі для даного напівпровідника, і падає як в сторону збільшення, так і в сторону зменшення довжин хвиль.

Основні параметри фото резисторів:

Стала часу наростання струму τ_н і спаду струму τ_с. це час, протягом якого струм збільшується або зменшується в 2,71 рази при освітленні або затемненні поверхні фото резистора.

Темновий опір, визначається через 30 секунд після зняття освітлення фото резистора, якщо він був освітлений 200лк.

Питома інтегральна чутливість – відношення фотоструму до світлового потоку і прикладеної напруги

 

Фото діоди

Напівпровідниковий фото діод – це діод, зворотній струм якого залежить від освітленості.

В якості фото діодів використовують прилади з р-n - переходом, який зміщений у зворотному напрямі зовнішнім джерелом живлення. При поглинанні квантів світла в р-n- переході або в поверхнях, які прилягають до нього, утворюються нові пари носіїв заряду електрон – дірка. При цьому неосновні носії заряду, які виникли в прилеглих зонах р-n- переходу на відстані менше дифузійної довжини, дифундують до р-n- переходу та утворюють крізь нього за рахунок прикладеної напруги додатковій струм. В робочому діапазоні зворотної напруги зворотній струм при освітленні фото діоду постійним світловим потоком приблизно має постійну величину та не залежить від напруги. Виходячи з цього, фото діод характеризується світловою характеристикою. Це залежністю зворотного струму фото діода від прикладеної напруги при постійному світловому потоці.

 

 

Рисунок 80. Зворотні гілки вольт – амперної характеристики фото діоду

 

За відсутністю світлового потоку вольт-амперні характеристики фото діода визначається зворотним струмом р-n- переходу, утвореним термо генерованими парами. При освітленні фото діоду при малій напрузі на ньому струм буде зростати, і характеристика буде нелінійною, поки при деякій напрузі струм не досягне максимуму. При постійному світловому потоці кількість генерованих неосновних носіїв заряду буде лишатися приблизно постійною, і тільки при збільшенні температури через фото діод за рахунок термічної генерації буде зростати струм. Крім того, фото діод можна охарактеризувати тими ж характеристиками, що і фото резистор.

Основними параметрами фото діода є:

Інтегральна чутливість це відношення величини струму до світлового потоку

К=І_ф/Ф

Стала часу фото діода (залежить від бар’єрної ємності постійно ввімкненого переходу та опору)

τ = r·C_бар

Крім того, часто фото діод характеризують часом прольоту носіїв через р-n- перехід, і загальна інерційністю фото діоду буде визначатись часом прольоту та сталою часу. Час прольоту залежить від товщини бази.

Окрім фотодіодів в оптоелектроніці широко застосовуються фото транзистори та фото тиристори. Принцип їх роботи заснований на зміні опору, а відповідно і струму, який можна створити в областях бази при освітленні їх світловим потоком.

Оптрони

Оптрон – напівпровідниковий прилад, який складений з оптично зв’язаних між собою елементів електронної пари – керуючого напівпровідникового випромінювача та напівпровідникового приймача випромінювання та служить для виконання різних функціональних перетворень (електричних, світлових сигналів).

Рисунок 81. Схеми оптронів

В оптронах в якості випромінювача світлової енергії може використовуватися джерело з когерентним або некогерентним випромінюванням (лазери, світло діоди). В якості фотоприймачів використовуються фото резистори, фото тиристори або фото транзистори. В більшості випадків оптрони мають два входи - світловий та напруги. Виходом служить, як правило, напруга чи струм.

Між елементами оптронної пари може існувати як оптичний, так і електричний зв’язок. В оптронах, в яких використовується фото випромінювачі та фотоприймачі, підсилення може відбуватися шляхом зміни яскравості свічення випромінювача світлової енергії, а зміна параметрів фотоприймача супроводжується зміною струму через фотоприймач. Це, в свою чергу, призводить до зміни струму в зовнішньому колі або напруги на опорі навантаження. Для того, щоб це вирішити технічно, необхідно, щоб між елементами оптронної пари існувало співпадання спектральних характеристик і розташування одного відносно до другого. Основною особливістю такого оптрону є підсилення електричного сигналу по потужності, струму, напрузі та повна розв’язка електричних кіл, до яких ввімкнений оптрон. До таких оптронів відносять оптрони, які утворюють пару світло діод, лазер або плівковий випромінювач. В якості приймачів – фото резистори, фото транзистори, фото тиристори. Такі оптрони використовуються в вимірювальній техніці, обчислювальній техніці та радіоапаратурі.

Окрім таких оптронів існує ще два типи оптронів: з позитивним і негативним зворотнім зв’язком, який в більшості випадків є оптичним зворотнім зв’язком. При їх виготовленні необхідно, щоб елементи – фотоприймач і фото випромінювач освітлювались одночасно.

Рисунок 82. Оптрон з позитивним зворотним зв’язком між елементами та його вольт-амперна характеристика

 

Такі оптрони мають два входи: оптичний (В_вх) і електричний (U_вх). Конструктивно такий оптрон виготовляється, щоб на приймач випромінювання попадала частка світлового потоку. Це буде викликати зменшення опору приймача випромінювання, збільшення яскравості свічення випромінювання світла, що призведе до подальшого зменшення опору приймача випромінювання. Таким чином, в оптронах відбувається позитивний зворотній зв’язок, і такий процес відбувається, якщо виконується умова, що вхідне випромінювання більше необхідного граничного.

U> U_ВХгран

B> B_ВХгран

В схемі, як і в тиристорі, відбудеться лавиноподібний перехідний процес, і вольт-амперна характеристика буде мати ділянку з від’ємним опором. Крім двох входів – оптичного і електричного – такий оптрон має два аналогових виходи, і він може виконувати функції ключа або тригера.

При наявності від’ємного зворотного зв’язку вхідним сигналом буде світловий потік, що подається від зовнішнього випромінювача на приймач, опір якого при цьому змінюється, і це буде призводити до зміни струму в послідовному колі, що призводить до зміни яскравості випромінювача світла.

 

 

Рисунок 83. Оптрон з негативним зворотним зв’язком між елементами

 

При зміні зовнішнього освітлення, змінюється опір фотоприймача, що призводить до зміни напруги на фото випромінювачі, і яскравість випромінювання в фото випромінювачі буде в проти фазі до зовнішнього освітлення, тобто в схемі буде негативний зворотній зв’язок (оптичний) через освітлення.

 

Рекомендована література

1. Бойко В.У., Багрій В.В. Твердотільна електроніка - видавництво ДДТУ. 2003.- 305 с.

2. Виноградов Ю.В. Основи електронної і полупроводникової техніки. – М.: “Энергия” 1972.- 450с.

3. Руденко В.С., Ромашко В.Я., Трифонюк В.В. Промислова електроніка. –К.: Либідь, 1993.-432 с.

4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высшая школа, 1991.-622с.

5. Пасынков В.В., и др. Полупроводниковые приборы. – М.: Высшая школа, 1987. – 428с.

6. Батушев ВА. Электронные приборы. - М.: Высшая школа, 1980. - 532с.

7. Степаненко И.П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. - М.: “Энергия”, 1967. - 616с.

8. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. - К.: Вища 1989. - 431 с.