Теория метода и описание установки

Область применения каждого типа фоторезистора определяется его свойствами и параметрами: вольт-амперной и световой характеристикой, чувствительностью, отношением темнового сопротивления R_т к световому R_с, постоянной времени t, температурной зависимостью фототока (температурным коэффициентом тока), рабочим напряжением и др.

Если фоторезистор включен в электрическую цепь последовательно с источником напряжения (рис. 2.44), то в темноте через него будет течь темновой ток I_т, при освещении же его поверхности в цепи будет течь световой ток I_с. Разность между установившимся световым током I_с и темновым током I_т называется фототоком I_ф.

Вольт-амперной характеристикой фоторезистора называется зависимость темнового тока, светового тока и фототока от приложенного к фоторезистору напряжения при неизменной величине светового потока, падающего на фоторезисторы. Для большинства фоторезисторов эта зависимость имеет вид

I = CU, (2.124)

где С – коэффициент пропорциональности, зависящий от типа фоторезистора и интенсивности света.

Интегральной чувствительностью называется отношение фототока, который течет в цепи фоторезистора при рабочем напряжении, к падающему на светочувствительный элемент световому потоку от лампы накаливания, вольфрамовая нить которой накалена до цветовой температуры Т=2848 К.

(2.125)

Удельной интегральной чувствительностью фоторезистора называется отношение фототока к величине падающего светового потока и к величине приложенного напряжения:

(2.126)

Спектральной чувствительностью называется отношение фототока I_фl при длине волны l к падающему на светочувствительный элемент потоку монохроматического излучения Ф_l в узком интервале длин волн l, l + d_l.

(2.127)

Спектральная чувствительность в отличие от интегральной зависит от длины волны падающего света и выражается зависимостью K_l =f(l) или I_фl = f(l), называемой спектральной характеристикой. (2.128)

Чувствительности фоторезисторов К_и и К_y находятся расчетным путем по данным, полученным при снятии вольт-амперных и световых характеристик. Зная площадь светочувствительной площадки фоторезистора S (в м²), освещенность Е (в лк) и приложенное напряжение U (в В), вычисляют для видимой части спектра величину лучистого потока (Ф = ЕS) и чувствительности К_и и К_y по формулам (2.125) и (2.126). Для видимой части спектра чувствительности К_и и К_y имеют размерности:

Для вычисления К_l необходимо знать распределение энергии по спектру излучения Ф_l= f(l). Размерность

Во многих случаях практического использования фоторезисторов большое значение придается кратности изменения сопротивления фоторезистора при освещении:

(2.129)

и относительному изменению сопротивления

(2.130)

Для рабочего напряжения U_Р и освещенности Е находят темновой и световой токи, а затем вычисляют кратность изменения сопротивления. Темновое сопротивление фоторезистора и сопротивление его при освещении рассчитывают по закону Ома:

(2.131)

Постоянная времени спада фототока t (релаксационное время жизни носителей заряда – время, в течение которого фототок уменьшается в е раз (на 63%) после прекращения освещения фоторезистора. Она характеризует инерционность фоторезистора, связанную со временем жизни избыточного носителя заряда.

Если освещать фоторезистор короткими прямоугольными импульсами света с малой частотой следования (длительности светового импульса и темпового промежутка равны t, t > t), то за время освещения образца будет успевать устанавливаться стационарное значение фотопроводимости, а за время темноты фотопроводимость – успевать уменьшаться до нуля. Спад фотопроводимости, обусловленный уменьшением неравновесной концентрации при затемнении, приближенно можно считать происходящим по закону (2.118), а фототок в цепи фоторезистора – изменяющимся по закону

(2.132)

Для определения величины t методом затухания фотопроводимости (рис. 2.44) исследуемый полупроводниковый образец или фоторезистор помещают на подставку из изоляционного материала и изолируют от постороннего воздействия (помещают в светонепроницаемый ящик). Торцевые контакты образца тщательно защищают от действия света во избежание возникновения контактных фото ЭДС. На исследуемый полупроводниковый образец (СdS, Cd Se, РbS и др.) или фоторезистор (ФСК, ФДС, ФСА и др.) подают определенное напряжение (в зависимости от образца или типа фоторезистора) через нагрузочное сопротивление R_H.

Освещая образец прямоугольными импульсами света, наблюдают на осциллографе экспоненциальное изменение (уменьшение) напряжения со временем затемнения на последовательно включенном с фоторезистором сопротивлении R_H. Включив метки времени на осциллографе, измеряют время t ₁, в течение которого напряжение, пропорциональное фототоку, уменьшается в два раза. Падение напряжения на сопротивлении R_Н при затемнении изменяется приближенно по закону

(2.133)

Если U_H =0,5 U_СТ (уменьшилось в два раза), то релаксационное время жизни

(2.134)

где t ₁ – время, соответствующее уменьшению напряжения на сопротивлении R_н в два раза.

При измерениях величин t ₁ и t следует исследовать кривые затухания разной амплитуды путем изменения приложенного напряжения к образцу. Во избежание искажения измеряемого времени жизни t измерительное поле должно быть достаточно малым.

Метод затухания фотопроводимости широко применяют для измерения как объемного t_{v ,} так и поверхностного t_s времени жизни. При измерении локальных значений эффективного времени t можно освещать лишь исследуемый участок образца.

В связи с тем, что скорость нарастания тока при освещении фоторезистора несколько отличается от скорости спадания его при затемнении, различают постоянную времени нарастания t_н и спадания t_СП. Численные значения t_н и t_СП для фоторезисторов, приводимых в справочных таблицах, определяются при освещённости 200 лк от источника излучения с цветовой температурой 2850К.

Для определения t_н и t_сп подают на фоторезистор рабочее напряжение и освещают его прямоугольными импульсами света (Е =200 лк), получают на экране осциллографа устойчивую кривую нарастания и спадания фототока во времени. Включив метки времени на осциллографе, определяют значения t_н и t_сп путем подсчета числа калибровочных меток времени на участках нарастания и спадания фототока до требуемого уровня 63% от установившегося значения тока.

У всех фоторезисторов постоянные времени по нарастанию и спаданию не равны. В большинстве случаев значение t_н превышает величину t_сп при определенном сопротивлении R_н. Постоянные времени t_н и t_сп зависят от материала фоторезистора, освещенности Е, сопротивления R_н , величины приложенного напряжения, окружающей температуры и характера освещения (частичное или полное освещение светочувствительного слоя).

Инерционность фоторезистора, характеризуемая постоянной времени t, свидетельствует о скорости реакции фоторезистора на воздействие светового потока. Фотоэлектрическая инерционность фоторезистора приводит к тому, то фототок зависит от частоты модуляции светового потока (частотная характеристика фоторезистора). С увеличением частоты модуляции светового потока величина переменной составляющей фототока уменьшается в различной степени для разных типов фоторезисторов.

Для исследования частотной характеристики фоторезистора | I_ф =f(v)| используется схема (рис. 2.44). Переменное напряжение, снимаемое с нагрузочного сопротивления R_{н ,} измеряется ламповым милливольтметром или осциллографом. Оно пропорционально фототоку (U_н = I_фR_н).

Частота модуляции светового потока изменяется механическим прерывателем или безынерционным источником света (тиратрон МТХ-90, который питается через ограничительное сопротивление 6 кОм от звукового генератора ГЗ-33).

Температурная зависимость параметров фоторезисторов определяется влиянием температуры на фоточувствительность полупроводников. В связи с тем, что чувствительность фоторезисторов определяется фототоком, температурная зависимость ее по характеру будет повторять зависимость фототока от температуры, так как в выражениях (2.125) и (2.126) для определения чувствительности из всех сомножителей только фототок зависит от температуры. Поэтому на практике под температурной зависимостью фоторезисторов подразумевают влияние температуры на фототок или световой ток. Количественно влияние температуры на фототок принято оценивать температурным коэффициентом (ТК), представляющим собой относительное изменение фототока на 1 К.

(2.135)

где I_{Ф 1}, I_{Ф 2} – фототоки в цепи с фоторезистором при температурах соответственно T ₁ и Т ₂.

Обычно ТК находят при освещенности Е =200 лк. При других световых потоках температурный коэффициент может быть иным.

Фототок фоторезистора с ростом температуры уменьшается. Для исследования температурной зависимости фототока используется схема рис. 2.44. Фоторезистор помещают в термостат, на него подают рабочее напряжение (согласно паспортным данным) и освещение. Измеряют величины темпового и светового токов при различных температурах (в интервале рабочих температур) и находят значения фототоков через каждые 10К при нагревании и остывании фоторезистора (термостата). Температурный коэффициент определяют по формуле (2.135).

Рис. 2.43. Релаксация фотопроводимости при освещении прямоугольными световыми импульсами

Рис. 2.44. Принципиальная схема определения постоянной времени методом затухания фотопроводимости: 1-лампа осветителя; 2-конденсаторная линза; 3-щель;
4 –прерыватель света (полудиск); 5-электромотор; 6 – фоторезистор СФ 3-26;
7 – потенциометр (1400 Ом); R_н – сопротивление нагрузки (магазин сопротивлений);
ЭО-электронный осциллограф; Б – источник постоянного тока (15-150В); К – ключ;
V – ламповый милливольтметр