Фоторезисторы

Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого меняется под действием светового потока. Основной частью фоторезистора является полупроводниковый элемент, снабженный выводами и расположенный так, что на него может падать свет.

Принцип действия фоторезистора основан на образовании допол-нительного количества подвижных носителей заряда в результате поглощения полупроводником лучистой энергии, вследствие чего уменьшается его сопротивление, т.е. возникает дополнительная электропроводность, называемая фотопроводимостью полупроводника. Если освещать поверхность полупроводника непрерывно, то число дополнительных носителей заряда будет возрастать до наступления динамического равновесия, когда число вновь появившихся носителей будет равно числу рекомбинировавших. После прекращения освещения избыточные носители рекомбинируют друг с другом и восстанавливается прежняя величина проводимости, характерная для не облучаемого элемента.

Концентрация носителей заряда, возбужденных светом, определяется выражением

n_ф = b₁,……….……………….7.1.1

где Ф - интенсивность облучения; b₁ - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты падающего света и скорости рекомбинации носителей заряда.

Если концентрация носителей, возбужденных светом, меньше темновой концентрации, то

n_ф = b₂Ф. …………………………7.1.2

Выражение для фотопроводимости имеет вид:

s_ф = еn_фm. ……………………..…7.1.3

С энергетической точки зрения увеличение проводимости полупроводников объясняется переходом электронов под действием света из валентной зоны в зону проводимости и другими переходами (рис 7.1.1). При этом энергия фотонов hn должна быть больше энергии запрещенной зоны ΔЕ. Валентные электроны, переходя в свободную зону, оставляют на своем месте дырку. Эти дополнительные носители заряда определенное время находятся в свободном состоянии, а затем рекомбинируют, т.е. переходят либо в валентную
зону, либо на примесные уровни. Однако часть фотонов, поглощенных поверхностью полупроводника, рассеивается в кристаллической решетке, повышая интенсивность теплового движения. Для получения фототока необходимо в цепи последовательно с фоторезистором включить посторонний источник Э.Д.С. Выражение для фототока можно записать в виде

I_ф = s_фES, …………………………7.1.4

где s_ф –фотопроводимость, E - напряженность электрического поля, S - площадь сечения полупроводника. Разность I_ф между световым током I_св и темновым I_Т:

I_Ф = I_ст - I_т ………………………..7.1.5

Темновой ток является одним из параметров фоторезистора. Иногда более удобно пользоваться понятием темновое сопротивление, которое определяется как сопротивление неосвещенного фоторезистора. Для большинства фоторезисторов указывается нижний предел темнового сопротивления. Обычно величина темнового сопротивления находится в пределах от десятков килоом до нескольких мегаом.

Для переноса электрона из валентной зоны в зону проводимости необходимо сообщить ему определенную энергию. В связи с тем, что различные материалы имеют различную ширину запрещенной зоны, для фоторезистора существует пороговая длина волны, различная для различных материалов. Например, ширина запрещенной зоны германия 0.72 эВ, а кремния 1.12 эВ. И, соответственно, пороговая длина волны для германия 1.8 мкм, а для кремния 1.2 мкм. Для перевода электрона с примесного уровня в зону проводимости требуется значительно меньшая энергия (менее 0.1 эВ) и соответственно воздействие светом значительно большей длины волны (инфракрасная область). Поэтому обычно наблюдаются несколько максимумов: основной коротковолновый и более слабые длинноволновые, обусловленные возбуждением электронов примесных центров, межпримесными переходами, поглощением свободными носителями, экситонным поглощением и т.д.

Вольтамперные характеристики фоторезистора линейны в пределах максимально допустимой мощности рассеяния на них. При большом напряжении на фоторезистор вследствие чрезмерного нагрева его происходит разрушение светочувствительного слоя.

Вольтамперные характеристики в общем случае могут быть записаны в виде

I_св=А_оE^a U^g,…………………………… 7.1.6

где a - коэффициент нелинейности световой характеристики, g - коэффициент нелинейности вольтамперной характеристики, А_о - постоянная, определяющаяся параметрами полупроводника, U - приложенное напряжение, Е - освещенность.

Световые (энергетические) характеристики фоторезистора (рис.7.1.2) обычно нелинейны. Особенностью световых характеристик является наличие темнового тока, т.е. тока, протекающего через фоторезистор при отсутствии освещенности (в темноте). В определенном интервале освещенности световая характеристика может быть аппроксимирована выражением

I_св=A_о U^g Ф^a …………………………… 7.1.7

Основными характеристиками фоторезистора является интегральная и спектральная чувствительность. Интегральная чувствительность фоторезистора определяется как отношение разности токов при освещении I_св и темнового I_т к световому потоку, падающему на резистор при номинальном значении U_ном напряжения:

К_ф, мА/лм = I_ф/Ф = (I_св-I_т)/Ф, …… …………7.1.8

где Ф - световой поток, определяемый из выражения

Ф, лм =SE; …………………….…..7.1.9

S - рабочая площадь фоторезистора в м²; Е – освещенность в лк.

Интегральная чувствительность фоторезистора сильно зависит от температуры. При увеличении температуры интегральная чувствительность резко снижается, т.к. увеличивается равновесная концентрация носителей заряда и вероятность рекомбинации избыточных носителей, возникающих при освещении, что приводит к уменьшению фототока.

Увеличение концентрации носителей с ростом температуры приводит к возрастанию темнового тока. В связи с этим в ряде случаев, где требуется высокая чувствительность, применяется охлаждение фоторезистора. Интегральная чувствительность фоторезистора достигает величины 4 А/лм.

Ввиду того, что зависимость между током и напряжением линейна, вводят параметр удельной чувствительности фоторезистора. Удельная чувствительность равна отношению фототока к величине светового потока при условии, что приложенное к фоторезистору напряжение равно 1 В:

К₀=К_ф/U=I_ф/ФU ……..…………………7.1.10

Таким образом, удельная чувствительность падает с увеличением светового потока. Иногда для характеристики чувствительности фоторезистора удобно пользоваться относительным изменением сопротивлений

DR/R_т=(R_т-R_св)/R_т ………………………7.1.11

или параметром кратности изменения сопротивления, представляющим собой отношение темнового сопротивления к сопротивлению при освещенности R_т/R_св, где R_т - темновое сопротивление; R_св - сопротивление при освещенности Е.

Очевидно, что кратность изменения сопротивления с увеличением освещенности возрастает, т.к. сопротивление R_св уменьшается, а R_т остается без изменений. Поэтому значение кратности указывается при определенной освещенности. Например, при освещенности в 200 лк кратность изменения сопротивления для сернисто-свинцовых фоторезисторов составляет единицы, а для сернисто-кадмиевых достигает 10⁵.Спектральная чувствительность фоторезистора определяется величиной фототока или фотопроводимости при освещении его единицей светового потока определенной длины волны. На рис.7.1.3 приведены спектральные характеристики сернисто-кадмиевых фоторезисторов. Максимум приходится на длину волны соответствующую энергии, необходимой для перевода электронов в зону проводимости. Если проводник легирован примесями, то каждой примеси на графике будет соответствовать свой максимум.

Поэтому, например, сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют максимум чувствительности в красной и ближней инфракрасной области спектра, сернисто-свинцовые – в инфракрасной. Поскольку для многих полупроводников ширина максимума значительна, то чувствительность большинства фоторезисторов достаточно высока в широком диапазоне длин волн (практически от инфракрасной области спектра до рентгеновских лучей.)

При увеличении температуры вид спектральной характеристики меняется. Она может смещаться как в длинноволновую, так и в коротковолновую область спектра. Это объясняется тем, что ширина запрещенной зоны может увеличиваться, а может уменьшаться с изменением температуры.

Пороговая чувствительность характеризует минимальный световой поток, создающий в цепи фоторезистора электрический сигнал, обычно 2-3 раза превышающий напряжение шума фоторезистора.

С понижением температуры пороговая чувствительность возрастает. Поэтому для достижения высокого порога чувствительности применяют глубокое охлаждение фоторезистора. Охлаждение осуществляется криогенными жидкостями или охлаждающими устройствами. Однако следует учитывать, что при охлаждении уменьшается ширина запрещенной зоны и происходит сдвиг максимума спектральной чувствительности в длинноволновую область спектра.

Как было уже отмечено, фототок достигает своего максимального значения лишь через некоторое время после начала облучения. Точно так же после прекращения освещенности фототок прекратится лишь через некоторое время. Таким образом, фототок не успевает следовать за изменением освещенности. Это объясняется конечным временем нарастания и спада концентрации избыточных носителей, которое определяется временем жизни неосновных носителей в данном полупроводниковом материале. В свою очередь время жизни неосновных носителей связано с наличием большого количества ловушек в поликристаллическом полупроводнике. Ловушки захватывают носители тока при включении света и освобождают их после выключения.

Инерционность фоторезистора характеризует постоянная времени τ, за которую фототок уменьшится в е раз после мгновенного затемнения фотосопротивления. Инерционность фоторезистора сказывается, когда на него падает модулированный световой поток. При этом с увеличением частоты модуляции сила фототока будет снижаться. Постоянная времени фоторезистора достигает величины 10^-7 с (для сернисто-свинцовых фоторезисторов). Наиболее инерционны сернисто-кадмиевые фоторезисторы. С увеличением освещенности и температуры постоянная времени уменьшается. Для фоторезисторов характерно, что фронт и спад фототока могут существенно отличаться.

Тепловые свойства фоторезистора определяет температурный коэффициент фототока (ТКФ), выраженным в % / ^оС. Величина ТКФ определяется из температурной зависимости фототока при определенном напряжении и освещенности.

К максимально допустимым режимам фоторезистора относится: U_мах - максимальное рабочее напряжение, при котором не происходит необратимых изменений в структуре фоторезистора; P_мах - максимальная мощность рассеяния, при которой фоторезистор остается работоспособным в течение гарантированного срока службы. Превышение мощности рассеяния приводит к превышению допустимой температуры и необратимым изменениям свойств фоторезисторов. С увеличением температуры окружающей среды максимально допустимая мощность снижается по линейному закону.

Фоторезисторам свойственен процесс старения. Он заключается в постепенном уменьшении омического сопротивления, изменении фототока и росте чувствительности. Процесс этот продолжается в течение нескольких сотен часов, после чего его параметры стабилизируются.

Рассмотрим устройство фоторезистора (рис.7.1.4). На диэлектрическую подложку из стекла, слюды, керамики 1 наносится слой металла - золота, серебра или платины. В металлическом слое прорезают щель для разделения на два электрически изолированных электрода 2. Затем на поверхность металла наносится слой полупроводника 3. Для защиты от внешних воздействий фотоэлемент покрывают слоем лака или эпоксидной смолы 4, пропускающим свет лишь нужной области спектра, и монтируют в металлический или пластмассовый корпус, который оборудован штырьками или гибкими выводами для включения в схему. Для проникновения света корпус имеет окошечко, расположенное над полупроводниковым слоем. Для использования в микросхемах, а также для случаев, когда предъявляются особые требования к габаритам аппаратуры, фоторезисторы выпускают в бескорпусном исполнении. Конструкции фоторезистора обеспечивают включение в цепь с помощью прижимных контактов (ФС-К0), посредством включения в обычную панель (ФС-К1), посредством пайки (ФС-К7), например, для включения в мостовую схему. Фоторезисторы, предназначенные для применения в условиях повышенной влажности, имеют герметичный корпус.

Материалом для фоторезисторов служат сульфид свинца, соединения сернистого кадмия, висмута и т.п., обладающие свойствами полупроводников. Слой полупроводника должен быть тонким, чтобы относительное изменение проводимости было как можно большим. Это объясняется тем, что увеличение проводимости происходит лишь в приповерхностных слоях, где происходит поглощение света, и на расстоянии не более диффузионной длины носителей, куда диффундируют освободившиеся носители заряда. Полупроводниковый слой фоторезистора получается методом испарения в вакууме, прессования и спекания из полупроводникового порошка тонких пластинок, химическим охлаждением, изготовлением пластин из монокристалла. После осаждения полупроводниковая пластинка обжигается в воздухе или какой-либо другой атмосфере, содержащей кислород. Эта обработка оказывает большое влияние на характеристики фотоэлемента. От природы и характера термообработки зависит спектральная чувствительность фотоэлемента. Для работы в инфракрасной области спектра предназначены фоторезисторы типа ФСА и ФСД, а для работы в области видимого света ФСК. Если фоторезисторы необходимо устанавливать вблизи источника света, тогда используются фоторезисторы, на полупроводниковый слой которых падает лишь отраженный свет. Обозначение фоторезисторов состоит из букв ФС и СФ (фотосопротивление), за которыми следует буква или цифра, характеризующие состав материала полупроводника и конструктивное оформление (А - PbS, K - CdS, Г - герметизированная конструкция).

Благодаря простоте и надежности, высокой чувствительности и малым размерам фоторезисторы находят широкое и разнообразное применение в самых различных областях техники. Они могут использоваться в качестве фотоэлектрических преобразователей, измерительных устройств, фотоэлектрических реле и регуляторов. Некоторые фоторезисторы (ФК-К0, ФС-К1, ФС-К6) обладают большой допустимой мощностью рассеяния (порядка 10 - 30 Вт) и имеют высокое рабочее напряжение (свыше 100 Вольт). Широкое применение нашли фоторезисторы в измерительных фотоэлектрических устройствах, предназначенных для измерения интенсивности и спектрального состава излучений, для измерения различных оптических характеристик (коэффициентов отражения, преломления, оптической плотности), для измерения деформаций, автоматического взвешивания в поточной линии и др.

Можно отметить еще одну область применения фоторезисторов –фотоэлектрические преобразователи в телевизионных передающих трубках, фотоэлектролюминисцентные усилители оптических изображений, фотокомпенсационные узлы усилителей и стабилизаторов постоянного тока и др.

К числу преимуществ фоторезисторов можно отнести высокую интегральную чувствительность, превышающую чувствительность некоторых вакуумных фотоэлементов в 10⁵ раз, значительная мощность рассеяния, благодаря чему можно управлять электрической цепью мощностью в несколько ватт, малые размеры и вес, большой срок службы, высокую стабильность свойств, простоту технологии их изготовления.

Недостатками фоторезисторов являются инерционность, температурная зависимость, ограничивающая эксплуатацию фоторезисторов в широких интервалах температур, нелинейная зависимость фототока от интенсивности облучения, значительный разброс параметров у фоторезисторов одного и того же типа.