otorezistor (FR) se nazývá polovodičové fotoelektronické zařízení s vnitřním fotoelektrickým jevem, které využívá jevu změn elektrické vodivosti polovodiče vlivem optického záření. Fotorezistor je polovodičový rezistor, který mění svůj odpor vlivem záření (osvětlení).
Princip činnosti PD je založen na využití jevu fotovodivosti polovodičů, který závisí na koncentraci elektronů ve vodivém pásmu a dírách ve valenčním pásmu. Když je polovodič ozářen světlem dostatečným pro přechod elektronů z valenčního pásma do vodivostního pásma, vodivost FR se zvyšuje.
Princip fotorezistorového zařízení je znázorněn na obr. 2,a. Na dielektrickou desku 1 je nanesena tenká vrstva polovodiče 2 s kontakty 3 na koncích. Schéma zapojení fotorezistoru je na Obr. 2, b. Na polaritě napájecího zdroje nezáleží. Polovodičová fotocitlivá vrstva je vyrobena ve formě monokrystalické nebo polykrystalické desky nebo ve formě polykrystalického filmu naneseného na dielektrickém substrátu (sklo, keramika nebo křemen). Kovové elektrody (zlato, platina) jsou aplikovány buď na povrch fotocitlivé vrstvy nebo přímo na dielektrický substrát před depozicí polovodičové vrstvy.
Jako polovodič se používá:
– sulfid kademnatý CdS (fotorezistory FSK) – nejcitlivější na viditelné paprsky spektra;
selenid kadmia CdSe (FSD fotorezistory) – nejcitlivější na paprsky na hranici mezi viditelnou a infračervenou oblastí spektra;
Na infračervené paprsky je nejcitlivější sulfid olovnatý (PbS fotorezistory).
Pro ochranu před vnějšími vlivy je fotocitlivá vrstva pokryta vrstvou transparentního laku.
Povrch fotocitlivého materiálu umístěný mezi elektrodami se nazývá pracovní plošina. Světelný tok je směrován do polovodiče speciálním okénkem v pouzdře fotorezistoru. Při provozu FR se doporučuje osvětlit jeho pracovní plochu úplně, protože v tomto případě bude účinek změny odporu FR maximální.
Parametry fotorezistoru
Pokud je k neosvětlenému PD připojen zdroj energie, bude v elektrickém obvodu protékat malý proud v důsledku přítomnosti malého množství volných nosičů náboje v polovodiči. Tento proud se nazývá temný proud Iт.
Temný odpor Rт – to je odpor FR při absenci osvětlení. Odolnost vůči tmě se obvykle stanovuje 30 s po ztmavení DF.
Při ozařování DF proudí v elektrickém obvodu proud ISt.. Současný rozdíl v přítomnosti a nepřítomnosti osvětlení se nazývá fotoproud Iф
Iф = ISt. – Iт.
Specifická integrální citlivost je poměr fotoproudu ke světelnému toku a použitému napětí:
Кo= Iф/ФU
Citlivost se nazývá integrální, protože se měří, když je PD osvětlena světlem komplexního spektrálního složení. Specifické integrální citlivosti různých typů DF se pohybují od 1 do 600 mA / (V lm).
Když je DF vystaveno zdroji monochromatického záření, například laseru, použije se parametr monochromatická citlivost.
Pracovní napětí závisí na vzdálenosti mezi elektrodami. FR má rozsah od jednotek do 100 V.
Časová konstanta – jedná se o dobu, za kterou se změní fotoproud fotovoltaického článku po nasvícení nebo po zatemnění fotovoltaického článku v е krát vzhledem ke stanovené hodnotě. Časová konstanta charakterizuje setrvačnost DF.
Vzhledem k tomu, že rychlost nárůstu fotoproudu při osvětlení je poněkud odlišná od rychlosti jeho poklesu po ztmavení fotoproudu, rozlišují se konstanty doby náběhu н a odmítnout с. Číselné hodnoty časových konstant se mohou pohybovat od desítek mikrosekund do desítek milisekund.
Přítomnost výrazné setrvačnosti v DF vede k tomu, že s nárůstem modulační frekvence světelného toku se efektivní hodnota výsledného střídavého fotoproudu snižuje. Maximální modulační frekvence světelného toku u sfázovaných soustav nepřesahuje desítky kilohertzů.
Je třeba mít na paměti, že parametry fázových faktorů polovodičů výrazně závisí na teplotě. Vlastní šum fotorezistorů je významný.
Fotorezistor je polovodičový rezistor, jehož odpor je citlivý na elektromagnetické záření v optickém rozsahu spektra. Schematické znázornění struktury fotorezistoru je na obr. 6.5,аa jeho konvenční grafické znázornění je na Obr. 6.5,б.
Proud fotonů dopadajících na polovodič způsobí, že se objeví dvojice. elektronová díra, zvýšení vodivosti (snížení odporu). Tento jev se nazývá vnitřní fotoelektrický jev (efekt fotovodivosti). Fotorezistory se často vyznačují proudovou závislostí i od osvětlení Е při daném napětí na rezistoru. Jedná se o tzv lux-amp charakteristika (obr. 6.6).
Rýže. 6.5. Struktura (а) a schematické označení (б) fotorezistor
Rýže. 6.6. Lux-ampérová charakteristika fotorezistoru FSK-G7
Často se používají následující parametry fotorezistoru:
nominální tmavý (při absenci světelného toku) odpor (pro FSK-G7 je tento odpor 5 MOhm);
integrální citlivost (citlivost určená, když je fotorezistor osvětlen světlem složitého spektrálního složení).
Integrální citlivost (citlivost proudu na světelný tok) S je určena výrazem:
kde iф – tzv. fotoproud (rozdíl mezi proudem při osvětlení a proudem při nepřítomnosti osvětlení);
Ф – světelný tok.
Pro fotorezistor FSK-G7 S= 0,7 A/lm.
Struktura a základní fyzikální procesy. Zjednodušená struktura fotodiody je na Obr. 6.7,аa jeho konvenční grafické znázornění je na Obr. 6.7,б.
Rýže. 6.7. Struktura (a) a označení (b) fotodiody
Fyzikální procesy probíhající ve fotodiodách jsou ve své podstatě opačné než procesy probíhající v LED. Hlavním fyzikálním jevem ve fotodiodě je generování párů elektronová díra v oblasti p–n-přechod a v oblastech s ním sousedících pod vlivem záření.
Generování párů elektronová díra vede ke zvýšení zpětného proudu diody v přítomnosti zpětného napětí a ke vzniku napětí uak mezi anodou a katodou s otevřeným obvodem. navíc uak>0 (otvory jdou k anodě a elektrony jdou ke katodě pod vlivem elektrického pole p–n-přechod).
Charakteristika a parametry. Fotodiody je vhodné charakterizovat skupinou proudově napěťových charakteristik odpovídajících různým světelným tokům (světelný tok se měří v lumenech, lm) nebo jiné osvětlení (osvětlení se měří v luxech, OK).
Proudově-napěťové charakteristiky (voltampérové charakteristiky) fotodiody jsou na Obr. 6.8.
Rýže. 6.8. Proudově-napěťové charakteristiky fotodiody
Nechť je nejprve světelný tok nulový, pak proudově-napěťová charakteristika fotodiody vlastně opakuje proudově-napěťovou charakteristiku běžné diody. Pokud není světelný tok nulový, pak do oblasti pronikají fotony p–n–přechod, způsobí generování párů elektronová díra. Pod vlivem elektrického pole p–n–přechodu, proudové nosiče se pohybují k elektrodám (otvory – k elektrodě vrstvy p, elektrony – k elektrodě vrstvy n). V důsledku toho vzniká mezi elektrodami napětí, které se zvyšuje s rostoucím světelným tokem. Při kladném napětí anoda-katoda může být proud diody záporný (čtvrtý kvadrant charakteristiky). V tomto případě zařízení nespotřebovává, ale vyrábí energii.
V praxi se fotodiody používají jak v režimu tzv. fotogenerátoru (fotovoltaický režim, ventilový režim), tak v tzv. režimu fotokonvertoru (režim fotodiody).
V režimu fotogenerátoru solární články přeměňují světlo na elektřinu. V současné době dosahuje účinnost solárních článků 20 %. Energie získaná ze solárních článků je zatím přibližně 50krát dražší než energie získaná z uhlí, ropy nebo uranu.
Režim fotokonvertoru odpovídá charakteristice proud-napětí ve třetím kvadrantu. V tomto režimu fotodioda spotřebovává energii (u · i > 0) z nějakého externího zdroje napětí nutně přítomného v obvodu (obr. 6.9). Grafická analýza tohoto režimu se provádí pomocí zátěžové čáry jako u konvenční diody. V tomto případě jsou charakteristiky obvykle konvenčně znázorněny v prvním kvadrantu (obr. 6.10).
Fotodiody jsou rychleji působící zařízení ve srovnání s fotoodpory. Pracují na frekvencích 10 7 – 10 10 Hz. Fotodioda se často používá v optočlenech LED-fotodioda. V tomto případě různé charakteristiky fotodiody odpovídají různým proudům LED (což zároveň vytváří různé světelné toky).
