Polovodičové materiály mají mnoho zajímavých vlastností. Jedním z nich je změna odporu pod vlivem světla. Elektrický odpor polovodičových prvků se používá v zařízeních zvaných fotorezistory. Řízení vnitřního odporu polovodičových součástek pomocí světelných toků se hojně využívalo v zastaralých konstrukcích, méně často v moderní elektrotechnice.
Polovodičový rezistor může měnit parametry elektrického proudu v závislosti na intenzitě světla. Tato vlastnost se v praxi často využívá k vytváření zařízení řízených tokem záření.Dnes průmysl dodává na trh fotorezistory s různými charakteristikami, což znamená, že se stále používají v moderních elektrických zařízeních.
Obsah
- Co je to fotorezistor?
- Zařízení
- Princip činnosti
- Označení v diagramu
- Технические характеристики
- Výhody a nevýhody
- přihláška
Co je to fotorezistor?
Zastavme se podrobněji u popisu polovodičového fotorezistoru. Nejprve si uveďme definici.
Fotorezistor je polovodičová součástka (senzor), která při ozáření světlem mění (snižuje) svůj vnitřní odpor.
Na rozdíl od jiných typů fotočlánků (fotodiody a fototranzistory) nemá toto zařízení pn přechod. To znamená, že fotorezistor může vést proud bez ohledu na jeho směr a může pracovat nejen ve stejnosměrných obvodech, kde je konstantní napětí, ale i se střídavými proudy.
Zařízení
Konstrukce různých modelů fotorezistorů se může lišit ve tvaru a materiálu pouzdra. Ale jádrem každého takového zařízení je substrát, nejčastěji keramický, potažený vrstvou polovodičového materiálu. Na tento polovodič je nanesena tenká vrstva zlata, platiny nebo jiného korozivzdorného kovu. (viz obr. 1). Vrstvy se nanášejí nástřikem.
Rýže. 1. Návrh fotorezistoru
Řezané vrstvy jsou spojeny s elektrodami, které přijímají elektrický proud. Celá tato konstrukce je často pokryta průhledným plastem a umístěna v pouzdře s okénkem pro vstup světelných paprsků (viz obr. 2).
Rýže. 2. Návrh fotorezistoru
Tvar pouzdra, jeho rozměry a materiál závisí na modelu fotorezistoru, určeném technologií výrobce. Příklady modelů jsou na obrázcích 3 a 4.
Rýže. 3. Senzor na bázi fotorezistoru Obr. 4. Fotodetektor
Dnes v prodeji můžete vidět díly v kovovém pouzdře, často v plastových nebo otevřených modelech. Některé modely jsou vyrobeny bez metody naprašování, ale přímo z polovodiče se vyřízne tenká odporová vrstva. Existují také technologie výroby filmových fotosenzorů (viz obr. 5).
Rýže. 5. Návrh filmového fotorezistoru
K nanesení polovodičové vrstvy se používají různé fotorezistní materiály. K zachycení viditelného spektra světla se používá selenid kademnatý a sulfid kademnatý.
Široká škála materiálů je náchylná k infračervenému záření:
- germanium, čisté nebo legované s nečistotami zlata, mědi, zinku;
- křemík;
- sulfid olovnatý a další chemické sloučeniny na jeho bázi;
- indium antimonid nebo arsenid;
- jiné chemické sloučeniny citlivé na infračervené paprsky.
Při výrobě fotorezistorů s vnitřním fotoefektem se používá čisté germanium nebo křemík, pro struktury s vnějším fotoefektem se používají látky dopované nečistotami. Bez ohledu na typ použitého materiálu fotorezistoru mají oba typy fotorezistorů stejné vlastnosti – inverzní, nelineární závislost odporu na síle světelného toku.
Princip činnosti
V neaktivním stavu vykazuje polovodič vlastnosti dielektrika. Aby mohla vést proud, musí být látka vystavena vnějšímu stimulátoru. Takový stimulant může být termální nebo lehký.
Pod vlivem fotonů světla je polovodič nasycen elektrony, v důsledku čehož se stává schopným vést elektrický proud. Čím více elektronů vznikne, tím menší odpor má polovodičový materiál vůči toku proudu. Závislost proudu na osvětlení znázorňuje graf na Obr. 6.
Rýže. 6. Graf proudu versus osvětlení
Na tomto principu je založen provoz fotorezistorů. Tvorbu elektronů podporuje jak viditelné, tak neviditelné spektrum světla. Navíc je fotorezistor citlivější na infračervené paprsky, které mají vyšší energii. Čisté materiály vykazují nízkou citlivost na viditelné světlo.
Pro zvýšení citlivosti vrstvy fotorezistu je dopována různými přísadami, které tvoří obnovený vnější pás umístěný na vrcholu valenčního pásu polovodiče. Takové externí nasycení elektrony bude vyžadovat méně energie k přechodu do stavu nasycení vodivostí fotoproudem. Dochází k vnějšímu fotoelektrickému jevu stimulovanému viditelným spektrem záření.
Volbou legujících přísad je možné vytvořit fotorezistory pro provoz v různých spektrálních rozsazích. Fotorezistor má spektrální citlivost. Pokud je vlnová délka světla mimo vodivostní zónu, pak zařízení přestane na takové paprsky reagovat. Osvětlení v takových případech již nemůže ovlivnit vodivost produktu.
Volba spektrálních charakteristik závisí na provozních podmínkách produktu a řešených úlohách. Pokud intenzity záření nejsou dostatečné pro stabilní provoz zařízení, lze jeho účinnost zvýšit volbou citlivých prvků s vhodnou polovodičovou vrstvou.
Je důležité si uvědomit, že setrvačnost fotorezistorů je znatelně vyšší než u fotodiod a fototranzistorů. K setrvačnosti zařízení dochází, protože nasycení polovodičové vrstvy nějakou dobu trvá. Snímač tedy vždy dává signál s určitým zpožděním.
Označení v diagramu
Je docela jednoduché odlišit fotorezistor v obvodu od běžného odporu. Ikona fotorezistoru má dvě šipky směřující k obdélníku. Tyto šipky symbolizují tok světla (viz obr. 7). V některých diagramech je symbol rezistoru umístěn uvnitř kruhu, zatímco v jiných je označen obdélníkem bez kruhu. Ale hlavním rozdílem je přítomnost šipek.
Rýže. 7. Fotorezistor ve schématu
Navzdory rozmanitosti fotografických senzorů je lze rozdělit pouze do dvou typů:
- Fotorezistory s vnitřním fotoefektem;
- Senzory s externím fotoefektem.
Liší se pouze technologií výroby, přesněji řečeno složením vrstvy fotorezistu. První jsou fotorezistory, ve kterých je polovodič vyroben z čistých chemických prvků, bez nečistot. Jsou necitlivé na viditelné světlo, ale dobře reagují na tepelné paprsky (infračervené světlo).
Fotorezistory s vnějším účinkem obsahují nečistoty, které dopují hlavní složení polovodičové látky. Spektrum citlivosti těchto senzorů je mnohem širší a pohybuje se do viditelného spektra a dokonce i do zóny UV záření.
Podle principu činnosti se tyto dva typy fotorezistorů neliší. Jejich vnitřní odpor klesá nelineárně s rostoucí intenzitou světelného toku v zóně citlivosti.
Технические характеристики
Jaká kritéria by měla být použita při výběru fotorezistoru?
Nejprve věnujte pozornost spektrálním charakteristikám. Pokud tento parametr vyberete nesprávně, pak s vysokou mírou pravděpodobnosti zařízení nebude fungovat nebo jeho provoz bude nestabilní. Například fotorezistory s vnitřním efektem nebudou reagovat na denní světlo. Pokud neplánujete používat IR zářič jako ozařovač, pak se rozhodněte pro druhý typ zařízení.
Další důležité vlastnosti:
- integrální citlivost;
- energetická charakteristika (práh citlivosti);
- setrvačnost.
Charakteristika proud-napětí ukazuje závislost hodnoty proudu na přiloženém napětí. Graficky je tato charakteristika znázorněna ve formě hyperboly. Pokud je ale splněna podmínka stálosti intenzity osvětlení, pak světelný tok klesá Ф = konst, pak bude závislost proudu na napětí lineární a graf bude přímka. (viz obr. 8 а).
Energetická charakteristika ukazuje, jak proud závisí na velikosti světelného toku při konstantním napětí (viz obr.. 8 б). Graf ukazuje, jak se mění energetická křivka: nejprve se řítí nahoru, a když je dosaženo určité hranice, plynule mění směr a je téměř rovnoběžná s osou světelného toku. To se vysvětluje tím, že po nasycení polovodičového prvku je jeho odpor minimální a následně nezávisí na intenzitě světla.
Obrázek 8. Charakteristiky fotorezistoru
Pokud jde o setrvačnost, ta je v různé míře přítomna u všech typů snímačů. Pokud potřebujete bleskově rychlou reakci na světlo, pak je lepší použít fotodiodu.
Výhody a nevýhody
Předností fotorezistorů je jejich vysoká spolehlivost a nízká cena. Někdy je užitečnou vlastností jeho proudově-napěťová charakteristika, kdy proud neroste rychlostí blesku, ale postupně. Výhodou je nízký práh citlivosti.
Mezi nevýhody patří setrvačnost snímačů. Zpoždění signálu snižuje výkon zařízení na bázi termistoru, což je často nepřijatelné.
přihláška
Kvůli nízkému prahu citlivosti se fotorezistory často používají k detekci slabých toků světelných vln.
Tato kvalita se používá:
- v třídicích strojích;
- v polygrafickém průmyslu zaznamenat skutečnost, že se papírová páska zlomila;
- v zemědělských strojích ke kontrole hustoty setí zrna;
- ve světelných relé pro zapnutí/vypnutí osvětlení, ve fotoexpozimetrech atp.
V průmyslové elektronice se fotorezistory používají k počítání produktů pohybujících se na dopravním pásu nebo padajících do skladovacího kontejneru.
Samotný snímač nemůže provádět výpočty, ale jeho signály jsou využívány a zpracovávány mikrokontroléry s následnými výpočty. Signály fotorezistorů jsou snímány analogovými i digitálními logickými obvody. Zpoždění signálu o zlomku sekundy ve většině případů není překážkou pro použití fotorezistorů.
Na základě fotorezistorů se vyrábí optočleny – zařízení s vlastním světelným zdrojem, který lze ovládat. Příklad schématu takového zařízení je na Obr. 9.
Rýže. 9. Optočlenový obvod
Navzdory některým nedostatkům přístrojů éra fotorezistorů zřejmě ještě neskončila.
