Параметры и характеристики фоторезистора

Основной частью конструкции фоторезистора является полупроводниковый фоточувствительный слой, который может быть выполнен в виде моно- или поликристаллической пленки полупроводника, нанесенной на диэлектрическую подложку. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды.

В качестве исходного материала фоторезистора чаще всего используются сернистый таллий, сернистый теллур, сернистый висмут, сернистый свинец, теллуристый свинец, сернистый кадмий и т. д. Условное обозначение фоторезистора приведено на рис. 3.15, б.

Фоторезисторы обычно имеют поверхность чувствительного слоя в виде меандра, кольца или прямоугольной формы. Площадь активной поверхности различных фоторезисторов достигает десятков квадратных миллиметров.

Устаревшее обозначение фоторезисторов: I элемент – буквы, обозначающие тип прибора, например, ФС – фотосопротивление; II – буква, обозначающая материал чувствительного элемента (Ф - сернистый свинец, К – сернистый кадмий, Д – селенистый кадмий). В обозначении могут быть буквы: Г – герметичный тип исполнения, П - пленочный тип исполнения, М - монокристаллический тип, а также цифры, характеризующие тип конструктивного исполнения.

Современное обозначение: I элемент – буквы СФ (сопротивление фоточувствительное), II элемент – цифра (2 - сернистый кадмий, 3 - селенистый кадмий; 4 - селенистый свинец). III - цифра отмечает номер разработки. Например: ФСК-7б; СФ2-1.

При анализе свойств фоторезистора следует учитывать, что материал облучается электромагнитным излучением (квантами света). Излучение переносит энергию W (Дж) различными волнами, характеризующимися значениями длины l (м) и частоты n (Гц), причем

n = c /l, (3.24)

где с - скорость света; с = 3·10⁸ м/с.

Фоторезистор реагирует на поток излучения Ф, который как световая величина, имеет размерность люмен (лм).

Можно выделить следующие основные параметры и характеристики фоторезисторов.

1. Вольтамперная характеристика – зависимость тока I (U)|_Ф через фоторезистор от напряжения U (рис. 3.16, а) при фиксированном значении светового потока Ф (Ф₂ > Ф₁).

а) б) в)

Рис. 3.16. Характеристики фоторезистора

Ток фоторезистора при Ф = 0 называется темновым током I _т, при Ф > 0 – общим током I _общ. Разность этих токов равна фототоку I _ф:

I _ф = I _общ - I _т . (3.25)

2. Энергетическая характеристика - зависимость фототока резистора I_ф(Ф)| _U от светового потока при фиксированном напряжении. Энергетическая характеристика иногда называется люкс-амперной (рис. 3.16, б); в этом случае по оси абсцисс откладываются значения освещенности Е (люкс ≡ лм/м²), а не значения светового потока Ф (лм).

3. Токовая чувствительность S_I - отношение фототока к величине, характеризующей излучение (Ф или Е). В зависимости от того, какой величиной характеризуется излучение, различают токовую чувствительность к световому потоку Ф или токовую чувствительность к освещенности Е:

S _ф = I _ф/Ф; (3.26)

S _E = I _ф/ Е. (3.27)

Отношение приращений фототока и характеристики излучения называются дифференциальной чувствительностью.

Чувствительность называют интегральной S _инт, если ее измеряют при освещении резистора светом ″сложного″ спектрального состава: от источника света с цветовой температурой 2840 К при освещенности Е = 200 лк. В качестве одного из основных параметров фоторезистора используют величину удельной интегральной чувствительности:

S _{ф инт уд} = I _ф/Ф U. (3.28)

Фактически удельная интегральная чувствительность равна токовой чувствительности, когда к фоторезистору приложено напряжение 1 В.

Удельные интегральные чувствительности различных фоторезисторов находятся в пределах от 1 да 600 мА/(В×лм). В том случае, когда оценивается действие монохроматического излучения, используется монохроматическая величина чувствительности S _l.

4. Спектральная характеристика представляет собой зависимость фототока I _ф(l)от длины волн света, падающего на фоторезистор (рис. 3.16, в). При больших длинах волн, т. е. при малых энергиях квантов света по сравнению с шириной запрещенной зоны D E _з полупроводника, энергия фотонов оказывается недостаточной для генерации электронно-дырочных пар -переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости (рис. 2.6, а, переход I). Поэтому для каждого полупроводника и, соответственно, для каждого фоторезистора существует пороговая длина волны, которую экспериментально определяют как длину волны, соответствующую спаду фототока на 50 % со стороны больших длин волн. Пороговая длина волны характеризует так называемую красную границу внутреннего фотоэффекта.

Казалось бы, по мере уменьшения длины волны, и, следовательно, увеличения энергии кванта света, фототок должен возрастать!

Однако, по мере уменьшения длины волны света, падающего на фоторезистор, растет показатель поглощения материала и глубина проникновения квантов света в полупроводник уменьшается, не проникая в объем, не вызывая появления неравновесных носителей. Поэтому основная часть неравновесных носителей заряда возникает вблизи (под) освещаемой поверхности фоточувствительного слоя. При этом увеличивается роль поверхностной рекомбинации и, соответственно, уменьшается среднее время жизни неравновесных носителей, а фототок падает. Именно поэтому спектральная характеристика I _фl (рис. 3.16, в) имеет спад и при малых длинах волн.

Различные полупроводники имеют ширину запрещенной зоны D E _з от десятых долей до трех электрон-вольт. Поэтому максимум спектральной характеристики различных фоторезисторов может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра.

5. Постоянная времени t – это время, в течение которого фототок резистора изменяется после освещения или после затемнения фоторезистора на 63 % (в e раз) по отношению к установившемуся значению. Постоянная времени t, связанная со временем жизни неравновесных носителей, характеризует скорость реакции (инерционность) фоторезистора на изменение светового потока, т.е. при высоких частотах оптического импульса ток фоторезистора не будет ″успевать″ изменяться.

6. Темновое сопротивление – это сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения. Величина темнового сопротивления составляет единицы и десятки мегом. Темновое сопротивление принято определять через 30 секунд после затемнения фоторезистора, предварительно находящегося под освещенностью 200 лк, что обусловлено инерционностью процесса освобождения ловушек захвата после прекращения освещения. Например, у фоторезисторов ФСК-1 отношение темновых сопротивлений, измеренных после затемнения через 30 секунд и через 16 часов, может достигать трех порядков.

7. Переходной характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от времени при импульсном облучении. Примерный вид зависимости аналогичен кривой зависимости проводимости от времени, представленной на рис. 3.15, г.