Параметры и характеристики фоторезисторов

Определим основные параметры фоторезисторов.

1. Фототок – ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

2. Общий ток фоторезистора – ток, состоящий из темнового тока и фототока. Темновой ток измеряют при напряжении 1В.

3. Рабочее напряжение U_р – постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях (гарантирующее продолжительную работу фоторезистора). При работе в импульсном режиме у сернисто-кадмиевых и селенисто-кадмиевых фоторезисторов допустимое напряжение может в 2-3 раза превышать рабочее. У сернисто-свинцовых фоторезисторов рабочее напряжение можно принять равным 0,1 R _Т, где R _Т в килоомах. У различных фоторезисторов U_р лежит в пределах 4…400 В.

4. Максимально допустимое напряжение фоторезистора U_max – максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

5. Максимально допустимая мощность рассеяния Р_max имеет величины в пределах 0,01…0,2 Вт. Она ограничена допустимым ростом темнового тока за счет разогрева.

6. Темновое сопротивление R _Т – сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности. У некоторых типов фоторезисторов темновое сопротивление может иметь значительный разброс от 10⁴ до 10⁷ Ом.

7. Световое сопротивление R _С – сопротивление фоторезистора, измеренное через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

8. Кратность изменения сопротивления K_R – отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению).Это один из важнейших параметров, характеризующий чувствительность фоторезистора. С увеличением освещенности кратность возрастает по линейному закону, с уменьшением – снижается. Наименьшей чувствительностью обладают сернисто-свинцовые фоторезисторы, у которых кратность при освещенности 200 лк не ниже 1,2. У остальных типов фоторезисторов чувствительность значительно выше и может быть от 10² до 10⁴.

9. Постоянная времениt _ф – время, в течение которого фототок изменяется на 63%, т. е. в e раз. Постоянная времени характеризует инерционность прибора и влияет на вид его частотной характеристики.

10. Коэффициент усиления по току М может достигать величин 10³ – 10⁷. Для увеличения М увеличивают постоянную времени t (но при этом возрастает инерционность и уменьшается диапазон частот модуляции сигнала), либо уменьшают время пролета (уменьшая длину фоточувствительного слоя, увеличивая рабочее напряжение).

11. Длинноволновая граница фотопроводимости l₀ определяется шириной запрещенной зоны D W _З, либо энергией активации примесей D W пр используемых материалов.

.

Наиболее распространенные материалы фоторезисторов имеют величины:

- сернистый кадмий (CdS) l₀ = 0,49 мкм (D W = 2,53 эВ);

- сернистый свинец (PвS) ¾ 3,36 мкм (D W = 0,37 эВ);

- антимонид индия (JлSв, 77 К) ¾ 7,3 мкм (D W = 0,17 эВ);

- германий, легированный медью (Ge:Cu, 15 К) ¾ 25 мкм

12. Рабочая длина волны – l_max – соответствует максимуму спектральной характеристики фоторезистора, l_max на 20…50% < l₀.

13. Температурный коэффициент фототока

.

С ростом температуры фототок уменьшается в основном из-за уменьшения времени жизни t носителей и, соответственно, уменьшения коэффициента усиления М.

14. Пороговая (обнаружительная) чувствительность Ф_min – минимальный световой поток, вызывающий появление фототока, равного темновому току.

Определяется в полосе D f = 1 Гц, при соотношении сигнал/шум, равном 1, приводится к площади светочувствительного слоя 1 см². Имеет, например, у фоторезистора из CdS величину 2 · 10^-15 [Вт/см Гц^1/2].

15. Удельная интегральная чувствительность– отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение: К ₀= I_ф / (Ф U),

где I_ф – фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и при определенной (200 лк) освещенности; Ф – падающий световой поток; U – напряжение, приложенное к фоторезистору.

Чувствительность называют интегральной, потому что измеряют ее при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава. Для различных фоторезисторов К ₀ составляет от 1 до 600 мА/(лм · В).

Важными характеристиками фоторезисторов являются вольтамперная, световая, спектральная, частотная, переходная, шумовая.

1. ВАХ – вольт-амперная характеристика , характеризующая зависимость фототока (рис. 14)(при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе. Эта характеристика линейна в довольно широких пределах. Для некоторых типов фоторезисторов при напряжениях меньше рабочего наблюдается нелинейность.

Рис. 14. Вольт-амперная характеристика фоторезистора для фототока при фиксированном световом потоке

Обычно рассматривают семейство ВАХ при различных величинах Ф (рис. 15).

Рис. 15. Вольт-амперная характеристика фоторезистора

Темновая ВАХ фоторезистора (ОД) линейна, для наглядности на рис. 15 величина темнового тока увеличена в 10³ раз. Типовая ВАХ (например, при Ф₁ = 0,1 лм) в общем случае состоит из 3 участков:

- ОА – обычно нелинейный, из-за заметного при малых токах и напряжениях действия потенциальных барьеров между полупроводниковым слоем и выводами, между отдельными зернами фоточувствительного слоя (нарисован несколько укрупнено). При малых напряжениях сопротивление фоторезистора определяется в основном сопротивлением контактов между отдельными зернами или кристаллами полупроводника, напряженность электрического поля на них получается большой. Поэтому при увеличении приложенного напряжения сопротивление контактов уменьшается либо из-за эффектов сильного поля (например, туннелирование сквозь узкие потенциальные барьеры на контактах), либо из-за разогрева приконтактных областей отдельных зерен полупроводника.

- АВ – рабочий, линейный участок.В этом случае сопротивление фоторезистора постоянное и определяется объемным сопротивлением зерен полупроводника.

- ВС – загиб ВАХ при больших токах обусловлен разогревом фоточувствительного слоя, ростом концентрации носителей, скорости рекомбинации и, соответственно, уменьшением времени жизни носителей и коэффициента усиления М.

2. Световая (люкс-амперная) характеристика характеризует зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава при постоянном напряжении на фоторезисторе. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люкс-амперную характеристику (рис. 16).

Рис. 16. Световая характеристика фоторезистора

Рабочей является линейная часть световой характеристики (участок АВ), на которой ток фоторезистора пропорционален световому потоку.

При малых интенсивностях светового потока световая характеристика (участок ДА) нелинейна из-за

- наличия темнового тока (при Ф = 0);

- непропорционального роста фототока при слабом освещении из-за захвата фотоносителей центрами рекомбинации, ловушками, создаваемыми дефектами кристаллической решетки, атомами посторонних примесей. При увеличении освещенности происходит смещение квазиуровней Ферми для электронов и дырок к основным зонам (для дырок – к валентной зоне, для электронов – к зоне проводимости). В результате часть уровней ловушек захвата становится уровнями рекомбинационных потерь, что приводит к уменьшению времени жизни носителей заряда.

При больших световых потоках (участок ВС) происходит загиб световой характеристики из-за увеличения скорости рекомбинации носителей, уменьшения времени жизни t и коэффициента усиления М. Кроме этого, уменьшается подвижность носителей заряда, т.к. при увеличении освещенности возрастает число ионизированных атомов в полупроводнике и, следовательно, растет рассеяние носителей заряда ионизированными атомами.

Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон
люкс-амперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.

3. Спектральная характеристика – это зависимость относительной (т.е. нормированной по максимуму) чувствительности (тока) фоторезистора от длины волны излучения при фиксированных напряжении на фоторезисторе и силе светового потока (рис. 17). Спектральная характеристика определяет чувствительность фоторезистора

Рис. 17. Спектральные характеристики фоторезистора

При l > l₀ энергии кванта недостаточно для генерации свободных носителей заряда (h υ < D W).

На участке l₀ ¸ l_max рост тока обусловлен ростом плотности разрешенных состояний в валентной зоне и зоне проводимости при удалении от их границ и, соответственно, возможностью поглощения потока квантов света.

Спад тока на участке ВА при уменьшении l обусловлен:

- уменьшением числа квантов света при постоянной силе светового потока j и, соответственно, уменьшением числа фотогенерированных носителей заряда;

- поглощением света в приповерхностном слое все меньшей толщины, т.е. уменьшением глубины проникновения квантов света в полупроводник и, соответственно, возрастанием потерь от поверхностной рекомбинации, уменьшением эффективного времени жизни фотогенерированных носителей заряда.

Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Как видно из этих характеристик, фоторезисторы с сернисто-кадмиевым светочувствительным элементом имеют максимальную чувствительность в видимой части спектра, фоторезисторы, выполненные на основе селенистого кадмия, наиболее чувствительны к красной и инфракрасной части спектра, а сернисто-свинцовые фоторезисторы имеют максимум чувствительности в инфракрасной области спектра (рис. 17).

4. Частотная характеристика – это зависимость относительного значения фотока от частоты модуляции светового потока. Это характеристика определяет чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока – с увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (рис. 18). Инерционность ограничивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.

Рис. 18. Частотные характеристики фоторезистора

Как видно из характеристики, величина сигнала, снимаемого с фоторезистора, уменьшается с увеличением частоты модуляции светового потока. Чувствительность фоторезисторов меняется (уменьшается) впервые 50 часов работы, оставаясь в дальнейшем практически постоянной в течение всего срока службы, измеряемого несколькими тысячами часов. Интервал рабочих температур для сернисто-кадмиевых фоторезисторов составляет от -60 до +85°С для селенисто-кадмиевых - от -60 до +40°С и для сернисто-свинцовых - от -60 до +70°С.

Дата добавления: 2014-01-20