4.4.4. Фоторезистивные пип

При освещении полупроводника изменяется концентрация носителей заряда, что приводит к изменению сопротивления или проводимости полупроводника. Фоторезистивный эффект можно описать величиной световой проводимости γ_СВ [25]:

, (4.39)

где μ_n и μ_P – подвижности электронов и дырок; Δn и Δр – избыточная концентрация электронов и дырок , создаваемая оптическим излучением.

Проводимость γ₀, обусловленную равновесными носителями заряда, называют темновой. Полная проводимость может быть представлена в виде суммы темновой и световой проводимостей:

. (4.40)

Явление увеличения электропроводности полупроводников под воздействием электромагнитного излучения называется фотопроводимостью.

Следует отметить, что при освещении полупроводника возможно также увеличение сопротивления. Это объясняется возрастанием скорости рекомбинации в объеме, куда диффундируют неосновные носители заряда, что приводит к уменьшению концентрации основных носителей заряда и, следовательно, к росту сопротивления.

Фотопроводимость зависит также и от длины волны излучения, спектральная кривая внутреннего фотоэффекта проходит через максимум и быстро уменьшается. Спектральная зависимость фотопроводимости в основном определяется спектральной зависимостью скорости генерации. Причем скорость генерации из-за сильного поглощения света резко уменьшается по мере прохождения света в глубь вещества. Отсюда следует, что фотопроводимость должна зависеть от геометрических размеров образца.

Фоточувствительность S_Фвещества определяется как отношение световой проводимости к интенсивности светаJ[25]:

. (4.41)

Фоторезистивный эффект используется для создания фотоэлектрических приборов – фоторезистивных преобразователей, позволяющих преобразовывать энергию излучения в электрическую энергию.

Материалы и конструкции фоторезистивных ПИП

Материалы, применяющиеся для изготовления чувствительных элементов фоторезистивных датчиков (в дальнейшем фоторезисторов), должны обладать: 1) возможно большей фоточувствительностью; 2) достаточно большой величиной удельного сопротивления; 3) хорошей воспроизводимостью характеристики ρ = f(J); 4) возможно меньшим температурным коэффициентом сопротивления.

Наибольшее применение находят материалы на основе: 1) соединений кадмия (CdSe, CdS), свинца (PbSe, PbS, PbTe), индия (InSb, InAs); 2) германия и кремния, легированных примесями различных элементов – золота, цинка, бора и др.; 3) тройных соединений типа HgCdTe, PbSnTe , у которых область спектральной чувствительности может изменяться в широких пределах и др. [19].

Конструктивно фоторезисторы представляют собой тонкий слой фоточувствительного полупроводникового материала на стеклянной или керамической подложке с электродами. Слой покрывают лаком и помещают в герметический корпус. На рис. 4.14 показаны типовые формы чувствительных элементов. Они могут иметь форму прямоугольника (рис. 4.14а), диска (рис. 4.14б), меандровой полоски (рис. 4.14в) и другие.

Ф

а б в

Рис. 4.14

оторезистивные ИП имеют самые разнообразные конструктивные решения: герметизированные, с жесткими и мягкими выводами, дифференциальные, позиционно-чувстви­тель­ные и др.

На рис. 4.15а показана конструкция одинарного фоторезистора (например, фоторезистора ФСК-1). Дифференциальные фоторезисторы (например, фоторезистор типа ФСК-7А, показанный на рис. 4.15б имеют три вывода и могут включаться в дифференциальные измерительные цепи. Позиционно-чувствительные фоторезистивные преобразователи (рис. 4.15в) представляют собой резистивные ИП, сопротивление которых изменяется при перемещении по чувствительному элементу светового пятна.

а б в

1 – чувствительный элемент; 2 – высокоомный резистивный слой;

3 – низкоомный резистивный слой; 4 – световое пятно

Рис. 4.15

Позиционно-чувствительные преобразователи широко используются для измерения перемещения. В этом случае при перемещении светового пятна вдоль электродов 2 и 3 изменяется сопротивление как между выводами А и B, так и между выводами А - С и В - С.

Основные характеристики фоторезистивных ПИП

К характеристикам фоторезистивных ИП относятся: функция (уравнение) преобразования; темновое сопротивление; кратность изменения сопротивления (кратность); монохроматическая чувствительность; спектральная характеристика; световая характеристика; вольт-амперная характеристика; постоянная времени и др. [15].

Уравнение преобразования может быть представлено выражением [19]

, (4.42)

где А – коэффициент, зависящий от свойств материала и конструкции фоторезистора; n = 0,5–1,0 (n = 1 при малых освещенностях, n = 0,5 при больших освещенностях).

Чувствительность фоторезистивных ИП зависит от значения интенсивности излучения и может быть найдена как

. (4.43)

Порог чувствительности – это минимальное значение потока излучения, который вызывает на выходе фоторезистора сигнал, в заданное число раз превышающий уровень шума. Порог чувствительности может составлять значение от 10^-10 до 10^-8 лм.

Монохроматическая чувствительность S_ – это отношение приращения фототока I к изменению плотности монохроматического потока P_ с длиной волны : S_ = I/P_, А/Вт (чувствительность: 10^-1 … 10² А/Вт). Спектральная область составляет 0,3…30 мкм.

Спектральная характеристика S_ – зависимость монохроматической чувствительности от длины волны S_ = f().

При работе в видимой части спектра оптического излучения используется интегральная световая чувствительность – отношение приращения фототока ΔI к изменению ΔФ светового потока: S_Ф = I/Ф, А/лм.

Различают чувствительность по току и чувствительность по напряжению, в зависимости от схемы включения фоторезистора.

Вольт-амперная характеристика определяет зависимость фототока от напряжения питания, приложенного к фоторезистору при постоянном значении светового потока.

Кратность изменения сопротивления – это отношение темнового сопротивления к сопротивлению при определенной освещенности (как правило, 200 или 300 лк) n = R_ТЕМН /R_Е=200лк. Кратность для разных типов фоторезисторов лежит в пределах от единиц до сотен тысяч.

Темновое сопротивление R_ТЕМН – это сопротивление при Е_ОПТ = 0. Сопротивление R_ТЕМН может иметь значение от 10 до 10⁹ Ом.

Кратность может быть определена как отношение светового тока J_СВ к темновому току J_ТЕМН (световой ток определяется, как правило, при освещенности 200 ±20 лк).

Световой ток – ток, протекающий через фоторезистор при рабочем напряжении и воздействии потока излучений заданной интенсивности.

Световая постоянная времени – это время, в течение которого сопротивление (фототок) фоторезистора изменяется при затемнении или при освещении в е раз по отношению к установившемуся значению.

Различают постоянные времени при затемнении _СП и освещении _Н фоторезистора. Значения постоянных времени _СП, _Н для разных типов фоторезисторов имеют значения от 10^-8 с до 10^-2 с.

Световая постоянная по спаду τ_сп – время, в течение которого световой ток уменьшается до значения 37 % от максимального при освещении фоторезистора в форме единичного импульса света.

Световая постоянная по нарастанию τ_н – время, в течение которого световой ток увеличивается до 63 % от максимального при затемнении фоторезистора.

В табл. 4.5 представлены основные характеристики некоторых типов фоторезисторов [15].

Таблица 4.5

Тип	UРАБ, B	JСВ , мкА не более	Jтемн, мкА не более	τн, мкс	τсп, мкс	λmax, мкм
СФ2-1	15	500	1	90	40	0,65
СФ2-12	15	200-1200	0,3	25	25	0,54±0,4
ФСК-1	50	1500	15	150	130	0,6
СФ3-1	15	750	0,5	20	60	0,79
СФ3-7Б	1,5	1200	0,01	8	8	0,72
ФСД-1	20	1500	10	50	80	0,77

Погрешности фоторезистивных ПИП

Погрешности фоторезистивных ИП обусловлены следующими причинами: 1) нестабильностью свойств материала фоторезистора во времени; 2) изменением параметров и характеристик фоторезистора под действием температуры; 3) влиянием фоновой засветки.

При длительной эксплуатации фоторезисторов изменяются характеристики фоточувствительного слоя и необходима периодическая проверка и градуировка фоторезистивного ИП.

При изменении температуры фоторезистора изменяются его сопротивление, порог чувствительности (увеличивается с ростом температуры) и изменяются постоянные времени (с ростом температуры , как правило, уменьшаются). Для уменьшения этой погрешности фоторезисторы подвергают тренировке.

Погрешность, обусловленная фоновой засветкой, уменьшается применением специальных оптических фильтров.