181080_б1-ЛАЗР41_2022_9. Фоторезисторы
 Скачать 458.5 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. Кафедра «Сварка и металлургия» КУРСОВАЯ РАБОТА по дисциплине «Приемники лазерного излучения» на тему: «Фоторезисторы» Выполнил: Студент б1-ЛАЗР41 ИММТ Кучерова Дарья Сергеевна Зачетная книжка № 181080 Проверил: доц. каф. СМ Перинская И.В. Саратов 2022 Реферат Пояснительная записка содержит 32 страницы текста, 9 рисунков. ФОТОРЕЗИСТОР, МАТЕРИАЛ, ПРИЕМНИК ИЗЛУЧЕНИЯ, КОНСТРУКЦИЯ, СВЕТОВОЙ ПОТОК, ТЕМНОВОЙ СОПРОТИВЛЕНИЕ, ПОЛУПРОВОДНИК. Целью работы является выработка практических навыков по анализу принципа действия, устройства и основных свойств фоторезисторов. Содержание Введение 4 1. Виды и применение фоторезисторов 6 2. Описание устройства и работы приёмника излучения 13 Заключение 30 Список использованных источников 31 Введение Фотоэлектрические приемники лучистой энергии — приборы для обнаружения и измерения электромагнитного излучения, которые основаны на фотоэффекте. Они находят широкое применение в различных областях техники и также для научных исследований. К фотоэлектрическим приемникам лучистой энергии относятся и фоторезисторы. Явление фотопроводимости, другими словами уменьшение электрического сопротивления материала при поглощении им излучения, было открыто в 1873 г. У. Смитом. Практическое начало создания фоторезисторов как приемников излучения относится к 1917 г., когда были созданы сернисто-таллиевые фоторезисторы (таллофиды). Развитию фоторезисторов способствовала возможность использования невидимых человеческому глазу инфракрасных лучей многих объектов в военных целях. Последующие исследования привели к созданию сернисто-свинцовых фоторезисторов, использованных Германией в конце второй мировой войны для обнаружения военных объектов. С этого времени начинается развитие фоторезисторов, которые нашли применение даже в различных областях народного хозяйства. В нашей стране большую роль в деле изучения фотоэффекта в полупроводниках, в создании и изучении новых полупроводниковых материалов сыграли работы А. Ф. Иоффе. Большой вклад в изучение механизма фотопроводимости был внесен также работами Б. Т. Коломийца, С. М. Рывкина, Л. Н. Курбатова, В. В. Балакова, Д. В. Наследова. Работы В. Е. Лошкарева и его сотрудников в области изучения фотоэлектрических явлений в сернистом кадмии получили всеобщее признание. Серийный выпуск фоторезисторов в нашей стране начался в 1948 г., когда были освоены сернисто-висмутовые фоторезисторы. Позже они были заменены сернисто-кадмиевыми и селенисто-кадмиевыми фоторезисторами, обладающими значительно лучшими параметрами. Профессор Б. Т. Коломийц и его сотрудники сыграли важную роль в создании первых промышленных образцов фоторезисторов на основе сульфида кадмия и сульфида свинца. В последние годы они и другие ученые также создали фоторезисторы на основе селенистого свинца с высокими фотоэлектрическими параметрами и свойствами. В настоящее время трудно найти такую отрасль народного хозяйства, науки или техники, где бы не применялись фоторезисторы. Целью курсовой работы является выработка практических навыков по анализу принципа действия, устройства и основных свойств фоторезисторов. 1. Виды и применение фоторезисторов Прежде всего, фоторезистор – это полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Самые распространенные вещества-полупроводники — это кремний и германий. Фоторезисторы обладают одинаковой проводимостью независимо от направления протекания тока, то есть не имеет полярности, грубо говоря, неважно, куда подсоединяется плюс или минус. Сопротивление фоторезистора уменьшается при увеличении интенсивности света. Другими словами, поток электрического тока через фоторезистор увеличивается пропорционально увеличению интенсивности света. Главным параметром фоторезистора является его темновое сопротивление, то есть его сопротивление при полном отсутствии падения света на него. В зависимости от типа и назначения фоторезисторов их конструкция может быть выполнена различным образом. Конструкции неохлаждаемых фоторезисторов можно разделить на два типа: бескорпусные и корпусные (рис. 1). Основной частью любой из конструкции является чувствительный элемент, состоящий из тонкого слоя фоточувствительного полупроводникового материала 2, который в свою очередь нанесен на изолирующую подложку 1. По краям фоточувствительного элемента нанесены металлические электроды – контакты.  Рис. 1. Схемы устройства фоторезисторов (а – бескорпусные, б – в пластмассовом корпусе, в – в металлическом герметизированном корпусе): 1- изолирующая подложка; 2 – фоточувствительный элемент; 3 – защитный слой лака; 4 – контакты; 5 – выводы; 6 – стекло; 7 – корпус Наиболее распространённые типы неохлаждаемых фоторезисторов изготавливаются с чувствительными элементами из сульфида кадмия (CdS), селенида кадмия (CdSe), сульфида свинца (PbS) и селенида свинца (PbSe). Фоточувствительный слой из CdS и CdSe чаще всего наносится на стеклянной или керамической подложке в виде тонкой пленки. Иногда фоточувствительной слой получают в виде таблеток при помощи спекания порошкообразной массы. В качестве электродов обычно применяют плёнки металлов, не подвергающихся коррозии (золото, платина, серебро), которые наносятся путем испарения в вакууме. Чувствительные элементы фоторезисторов на основе PbS и PbSe изготавливаются на стеклянных или кварцевых подложках при помощи химического осаждения из растворов, а также термического испарения в вакууме. Как правило, контакты изготавливаются путём термического испарения золота в вакууме [1]. Параметры чувствительных элементов фоторезисторов обладают недостаточной стабильностью на открытом воздухе, особенно при воздействии влаги. Для защиты от влаги, воздуха и других внешних воздействий чувствительные элементы фоторезистора покрывают слоем защитной краски (герметика). Требуется, чтобы слой краски имел достаточную прозрачность в области спектра, в которой работает фоторезистор, был устойчив к влаге и не изменял свои свойства во всем диапазоне рабочих температур. Более надёжную защиту фоточувствительного слоя от воздействия окружающей среды обеспечивает пластмассовый или металлический корпус с герметичными выводами от контактных электродов чувствительного элемента. Если фоторезистор необходим для длительной работы в условиях повышенной влажности и температуры, его конструкция герметична – фоточувствительный элемент помещается в металлический корпус (рис. 1, в), со стеклянным окном или другим оптическим материалом, таким как германий, сапфир или кремний. Соединение входных окон с металлическим корпусом осуществляется путем склеивания эпоксидным клеем, либо сваркой. Характеристики фоторезисторов на основе PbS и PbSe могут быть значительно улучшена при охлаждении фоточувствительного элемента до температуры твердой углекислоты (195 °К) или жидкого азота (77 °К). В качестве хладоагентов могут использоваться фреоны (от 263 до 145 °К), твердая углекислота (195 °К), жидкий или газообразный азот (77 °К), жидкий неон (27 °К), жидкий водород (20°К) и жидкий гелий (4,2 °К). Кроме того, охлаждение фоточувствительных элементов фоторезисторов может осуществляться термоэлектрическим устройством, основанным на использовании эффекта Пельтье (поглощение тепла в спае двух полупроводников, один из которых р-типа, а второй n-типа, при пропускании через него электрического тока) [2]. Основой конструкции охлаждаемых фоторезистора (рис. 2) обычно является герметично закрытый стеклянный сосуд с двойными стенками (сосуд Дьюара), из которого удалён воздух, что обеспечивает длительное сохранение хладоагента. Внешнее входное окно 1 изготовлено из материала, прозрачного в инфракрасном диапазоне спектра. Чувствительный элемент 2 крепится к нижней части внутреннего стакана сосуда Дьюара. Внутренняя полость сосуда Дьюара заполнена углекислотой или жидким азотом 4 (рис. 2, а). При достаточно хорошей теплопроводности стенок сосуда светочувствительный элемент принимает температуру, близкую к температуре хладоагента. Когда хладоагентом является жидкий гелий, неон или водород 7 (рис. 2, б), то в конструкцию криостата обычно вводится дополнительная рубашка, наполненная жидким азотом 4, предотвращающий быстрое испарение основного хладоагента 7.  Рис. 2. Принципиальные схемы конструкций фоторезисторов, охлаждаемых жидким азотом (а), жидким гелием (б) и сжатым азотом (в): 1 – входное окно (фильтр); 2 – фоточувствительный элемент; 3 – сосуд Дьюара; 4 – жидкий азот; 5 – электрический вывод; 6 – змеевик; 7 – жидкий гелий; 8 – охлаждаемый диафрагма, образующая апертурный угол Более удобной для эксплуатации охлаждаемого фоторезистора являются конструкция, в которой в качестве хладоагента используется газ, который может храниться долгое время в специальных баллонах. Основным элементом этой конструкции является микрохолодильник, представляющий собой змеевик, помещённый в сосуд Дьюара (рис. 2, в) [2]. Сжатый газ, обычно используемый в качестве сжатого азота или сжатого воздуха, подаётся в змеевик. При выходе из змеевика газ резко увеличивает свой объём, в то время как температура газа снижается за счет работы, затраченной на расширение газа. Это явление известно как метод адиабатического расширения. В результате значительного поглощения тепла внутренняя полость сосуда Дьюара охлаждается до температуры сжиженного газа. Отработанный газ проходит через специальное отверстие в корпусе змеевика, а дальше, выходит наружу или в баллон. На основании материалов, используемых при производстве, фоторезисторы могут быть разделены на две группы: с внутренним и внешним фотоэффектом. В производстве фоторезисторов с внутренним фотоэффектом используют нелегированные материалы, такие как кремний или германий. Фотоны, попадающие на устройство, заставляют электроны перемещаться от валентной зоны в зону проводимости. В результате этого процесса появляется большое количество свободных электронов в материале, что улучшает электропроводность и, тем самым, уменьшается сопротивление. Фоторезисторы с внешним фотоэффектом изготавливаются из материалов, с добавлением примеси, называемой легирующая добавка. Эта добавка создает новую энергетическую зону поверх существующей валентной зоной, заселенную электронами. Этим электронам требуется меньше энергии для перехода в зону проводимости из-за меньшего энергетического зазора. Это приводит к тому, что фоторезистор чувствителен к свету разных длин волн. По принципу действия эти два вида фоторезисторов не различаются. С ростом интенсивности светового потока в зоне чувствительности, их внутреннее сопротивление уменьшается нелинейно. Тем не менее, оба типа показывают уменьшение сопротивления при освещении. Чем выше интенсивность света, тем больше падает сопротивление. Следовательно, сопротивление фоторезистора является обратной и нелинейной функцией интенсивности света. Теперь перейдем непосредственно к применению этих приборов. В настоящее время нет ни одной отрасли науки и техники, которая не использовала бы фоторезисторы. Они широко используются в тепловизорах, радиометрах, теплопеленгаторах, в системах автоматизации в приборах спектрального анализа, в системах световой сигнализации и защиты. Фоторезисторы используются для мониторинга и измерения геометрических размеров, скоростей движения объектов, температуры, управления различными механизмами и для определения качественного и количественного состава твердых, жидких и газообразных сред. Из конкретных применений можно указать следующие [3]: – пожарные датчики открытого пламени диапазона 1,0…3,3 мкм, датчики для обнаружения дыма, промышленные и квартирные, с очень высокой помехоустойчивостью к оптическим и электромагнитным помехам; – датчики контроля непрерывности и качества горения газовых факелов промышленных котлов, крупных энергетических и технологических установок; – датчики пересечения невидимого ИК-луча, активные, для охранной сигнализации и промышленности с очень высокой помехоустойчивостью к оптическим помехам; – датчики для обнаружения и приборы для измерения длины металлического проката на скоростях до 10 м/сек с точностью 0,05 м при длине до 12 м с использованием собственного излучения, нагретого до температуры 300-800°С проката; – фотоприёмные устройства для приборов, измеряющих концентрацию сахара в жидкостях, и измеряющих влажность по отраженному свету от поверхности объектов. Всё это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. 2. Описание устройства и работы приёмника излучения Как мы уже поняли из вышеизложенного, фоторезистор является полупроводниковым прибором, сопротивление которого (проводимость) изменяются в зависимости от того, насколько сильно освещена его чувствительная поверхность. Рассмотрим физические основы и сущность самой работы фоторезисторов, а также устройство и конструкцию этого прибора. 2.1. Физические основы и сущность работыВ фоторезисторах используется явление фотопроводимости, другими словами – изменение электропроводности вещества под воздействием электромагнитного излучения. Для понимания физических процессов, обусловливающих фотопроводимость, необходимо рассмотреть некоторые электронные процессы. Энергетический спектр состояний электронов в атоме может быть изображён в виде отдельных линий (уровней), соответствующих дискретным значениям энергии. Переход электронов с одного энергетического уровня на другой возможен только в том случае, если они получают извне дополнительную энергию, например, под действием температурного нагрева, света или сильного электрического поля [4]. Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства материалов определяются числом только внешних, наименее связанных с ядром валентных электронов, поведение которых в поле кристаллической решетки описывается зонной теорией. В соответствии с этой теорией при образовании кристаллической решётки их энергетические уровни, вследствие взаимодействия, расщепляются, образуя отдельные зоны. Энергетический спектр валентных электронов в кристаллической решётке твердого тела изображён на рисунке 3.  Рис. 3. Энергетический спектр валентных электронов в различных материалах (а – металл, б – полупроводник, в – изолятор) Из рисунка видно, что спектр валентных электронов образует две зоны – основную зону 1 и зону возбужденных уровней 2. Степень заполнения электронами этих зон определяется природой атомов, образующих кристаллическую решетку. При абсолютном нуле температуры (Т = 0° К) зона 1 частично или полностью занята электронами. Ее принято называть валентной или заполненной зоной. Зона 2 при Т = 0° К полностью свободна, а поэтому ее называют свободной зоной или зоной проводимости. Для разных твердых тел эти области могут занимать разное положение относительно друг друга. У металлов (рис. 1, а) эти зоны либо непосредственно примыкают друг к другу, либо даже перекрываются. В зависимости от энергии энергетические уровни в зоне проводимости отличаются очень незначительно. Следовательно, можно предположить, что энергетический спектр в области 2 практически непрерывен. Под воздействием электрического поля, приложенного к металлу, электроны начнут направленное движение, т.е. ток будет протекать в замкнутой цепи. В полупроводниках и изоляторах энергетический спектр разрешенных уровней, находящихся в валентной зоне 1 и в зоне проводимости 2, разделён зоной запрещённых энергетических уровней (рис. 1, б, в). Приложение электрического поля к материалу с такой структурой не вызывает электрического тока, несмотря на то, что концентрация электронов в валентной зоне может быть такой же, как у металлов. Это объясняется тем фактом, что все энергетические состояния валентной зоны уже заняты, поэтому электроны в электрическом поле не могут повысить свое энергетическое состояние, то есть перейти на более высокий энергетический уровень. Для появления электропроводности в таком материале необходимо, чтобы часть электронов валентной зоны каким-то образом повысила свою энергию на величину, равную или более ширины запрещённой зоны и попала в зону проводимости, где они могут свободно перемещаться в электрическом поле [5]. При температуре выше абсолютного нуля вероятность таких переходов существует за счёт теплового движения электронов. Изменение электропроводности полупроводника при воздействии на него лучистого потока называется фотопроводимостью. Практически это выражается в уменьшении электрического сопротивления полупроводникового материала при его освещении. По аналогии с проводимостью, обусловленной переходами электронов с одного энергетического уровня на другой вследствие энергии теплового движения, полупроводниковые материалы могут иметь как собственную, так и примесную фотопроводимость. Рассмотрим механизм фотопроводимости подробнее. В отсутствие облучения благодаря непрерывному взаимодействию электронов с кристаллической решеткой полупроводника температура чувствительного элемента фоторезистора устанавливается практически постоянной. При воздействии на полупроводник лучистого потока в нем возникают избыточные пары носителей тока за счет перехода их с основных или примесных уровней в зону проводимости. Концентрация неравновесных носителей, возникающих под воздействием излучения, пропорциональна количеству поглощенных полупроводником квантов излучения и количеству пар электрон-дырки, образующихся на один поглощенный квант. У большинства полупроводников величина квантовой эффективности внутреннего фотоэффекта близка к единице, т.е. при фотоэлектрическом поглощении излучения каждый квант создает по крайней мере один носитель тока. Концентрация неравновесных носителей будет непрерывно возрастать по мере облучения фоторезистора. Однако в действительности из-за взаимодействия с кристаллической решеткой в зоне проводимости электроны теряют часть своей энергии и возвращаются на основные уровни. На этих уровнях электроны встречаются со свободными дырками, в результате чего их заряды нейтрализуются, и пары носителей электрон-дырка прекращают свое существование. Таким образом, в полупроводнике, наряду с процессом генерации неравновесных носителей, происходит их рекомбинация. Через некоторое время с момента начала облучения фоторезистора устанавливается равновесие между количеством генерируемых и рекомбинируемых носителей [6]. В общих словах, принцип действия фоторезистора основан на образовании дополнительного количества движущихся носителей заряда за счет поглощения энергии излучения полупроводника. В результате сопротивление уменьшается, то есть возникает дополнительная электропроводность, которая называется фотопроводимостью полупроводника. Если поверхность полупроводника непрерывно освещается, то количество дополнительных носителей заряда увеличивается до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, и в это время количество новых носителей будет равно числу рекомбинировавших. После окончания облучения избыточные носители рекомбинируют друг с другом, и восстанавливается прежняя величина проводимости, характерная для необлучаемого элемента. 2.2. Устройство и конструкция фоторезисторовКонструкция разных моделей фоторезисторов может отличаться по форме и материалу корпуса. Но в основе каждого такого прибора (рис. 4) лежит подложка, чаще всего керамическая, которая покрыта слоем из полупроводникового материала. Поверх этого полупроводника наносятся змейкой тонкий слой золота, платины или другого коррозиестойкого металла. Слои наносятся методом напыления. Напиленные слои соединяют с электродами, на которые поступает электрический ток. Всю эту конструкцию часто покрывают прозрачным пластиком и помещают в корпус с окошком для попадания световых лучей. Форма корпуса, его размеры и материал зависит от модели фоторезистора, определяемой технологией производителя [7].  Рис. 4. Конструкция фоторезистора Напиленные слои соединяют с электродами, куда поступает электрический ток. Всю эту конструкцию часто покрывают прозрачным пластиком и помещают в корпус с окошком для попадания световых лучей. Благодаря такому своеобразному исполнению контактных площадок можно добиться оптимального диапазона изменения величин сопротивления фоторезистора. Часто встречаются фоторезисторы в корпусном исполнении с защитным прозрачным стеклом. В известном фоторезисторе, выполненном в виде составного корпуса, содержащего крышку с прозрачным приемным окном и основание с вмонтированными выводами, в котором размещены фоточувствительный слой и металлические электроды (рис. 5).  Рис. 5. Схема фоторезистора: 1 – корпус; 2 – приемное окно; 3 – фоточувствительный слой; 4 – электроды; 5 – крепежная ножка; 6 – изоляторы; 7 – выводы; 8 – пленка диэлектрика; 9 – клей. В корпусе 1 закреплено прозрачное приемное окно 2, на внутреннюю поверхность которого нанесен фоточувствительный слой 3, поверх него нанесены металлические электроды 4. К корпусу 1 крепится ножка 5, снабженная изоляторами 6, через которые проходят выводы 7. Внутренняя поверхность ножки покрыта тонкой пленкой диэлектрика 8. Внутренняя полость фоторезистора заполнена клеем 9 с анизотропной проводимостью. Фоторезистор работает следующим образом. Световой поток через приемное окно 2 падает на чувствительный слой 3. В этом случае возбуждается не только участок, расположенный между электродами 4, но и участки, расположенные под электродами, что увеличивает эффективную рабочую поверхность и приводит к уменьшению светового сопротивления фоторезистора. Электрический контакт электродов 4 с выводами 7 и тепловой контакт межэлектродной зоны с корпусом происходят благодаря анизотропной теплопроводности и электропроводности клея 9. Клей представляет собой композицию из полимерного клея и мелкодисперсного ферромагнитного порошка, частицы которого покрыты тонким слоем серебра или другого металла с хорошей проводимостью. Если полимеризация клея происходит в пульсирующем магнитном поле, частицы порошка располагаются вдоль линии поля и образуют контактные мостики, которые определяют анизотропию электрической и тепловой проводимости клея вдоль и поперек направления магнитного поля. Германиевые фоторезисторы Фоторезисторы из собственного германия не получили широкого применения. Сам германий имеет относительно низкое удельное сопротивление при комнатной температуре, поэтому этот тип фоторезистора имеет низкое темновое сопротивление. Повышение темнового сопротивления германиевых фоторезисторов путем увеличения их длины и уменьшения толщины не оправдано. Это связано, во-первых, с хрупкостью материала, а во-вторых, с тем, что устройство увеличивается за счет образования p-n-перехода в пластине. С этой точки зрения фоторезистор из германия используется только в специальных устройствах, где предпочтительнее малое сопротивление.  Рис. 6. Конструкция германиевого фоторезистора типа 11А На рисунке 6 показаны конструкция и размеры германиевого фоторезистора типа 11А, выпускаемого фирмой Transistor Products. Контакты выполняются вплавлением оловянных шариков на концах пластинки. Темновое сопротивление фоторезистора составляет около 5кОм, а при освещенности порядка несколько тысяч люкс сопротивление уменьшается на 50% [7]. Кремниевые фоторезисторы. Кремниевые фоторезисторы имеют некоторые преимущества перед германиевыми. Удельное сопротивление кремния может быть намного больше, порядка нескольких тысяч Ом на сантиметр. Следовательно, из него можно получать фоторезисторы со значительно более высоким сопротивлением. Кроме того, температурная зависимость сопротивления у кремния значительно меньше.  Рис. 7. Конструкция дифференциального кремниевого фоторезистора На рисунке 7 представлена конструкция дифференциального кремниевого фоторезистора. Данный фоторезистор предназначен для работы в мостовой схеме. Он освещается зайчиком гальванометра и служит для регистрации отклонений системы от состояния равновесия и для подачи сигнала с целью автоматического регулирования. Фоторезистор изготовлен из кремния, удельное сопротивление которого 200 Омсм. Контакты выполнены вплавлением кружков из золотой фольги с примесью свинца (в количестве 0,5%) при температуре 700°С. Фоторезисторы из антимонида индия. Использование антимонида индия при производстве фоторезисторов связано с относительно небольшой шириной запрещенной зоны этого полупроводника. При его использовании можно получить простой приемник дальнего инфракрасного излучения. Из антимонида индия изготавливают фоторезисторы размером от 11 мм до 110 мм, толщиной 0,2-0,01 мм. Фоторезистор на основе InSb содержит сапфировую подложку и присоединенную к ней слоем диэлектрического клея пластину монокристаллического InSb p-типа с монополярной фотопроводимостью. На поверхность сапфировой подложки нанесен металлический слой с окном для формирования фоточувствительной площадки в пластине InSb, в которой, со стороны сапфировой подложки сформирован приповерхностный p+-слой, разделенный на два несоприкасающихся участка, расположенных за границами фоточувствительной площадки, а с противоположной стороны пластины InSb выполнены металлические контакты с подконтактными p+-областями [8]. В частном случае выполнения между участками приповерхностного p+-слоя может быть выполнена канавка. Когда сигнал снимается с фоторезистора, падение напряжения на области фоточувствительной части значительно превышает падение напряжения на контактной области и контактах за счет шунтирующего приповерхностного p+-слоя и подконтактных p+-областей. Этим достигается снижение напряженности электрического поля в области контактов, что приводит к смещению начала рекомбинационных неустойчивостей в область более высоких напряжений и позволяет увеличить прикладываемое постоянное напряжение к фоторезистору и за счет этого увеличить его вольтовую чувствительность.  Рис. 8. Фоторезистор на основе InSb Фоторезистор на основе InSb содержит сапфировую подложку 1 и пластину монокристаллического InSb 2 с фоточувствительной площадкой 3 и металлическими контактами 4, причем подложка 1 и пластина 2 соединены слоем диэлектрического клея 5. На сапфировую подложку 1 нанесен металлический слой 6 с окном для формирования фоточувствительной площадки 3 в пластине InSb 2. Со стороны сапфировой подложки 1 в пластине InSb 2 сформирован приповерхностный p+-слой 7, разделенный на два несоприкасающихся участка, расположенных за границами фоточувствительной площадки 3. В пластине InSb также сформированы подконтактные p+-области 8, а в частном случае выполнения между участками приповерхностного легированного p+-слоя выполнена канавка 9 [8]. Дополнительным достоинством фоторезисторов из антимонида индия является их высокая стабильность и неизменность параметров даже при длительном периоде работы в атмосферных условиях без защитного корпуса. Фоторезистор на основе монокристалла сульфида кадмия. Фоторезистор на основе монокристалла CdS функционирует в ближней инфракрасной области спектра. Прибор относится к оптоэлектронным устройствам и представляет собой фоторезистор на основе монокристалла CdS с высоким электрическим сопротивлением. Устройство может быть использовано в качестве блока управления сложными устройствами оптоэлектроники, работающих с малыми токами в ближней инфракрасной области спектра. Рабочий спектральный диапазон полупроводника составляет 650-1100 нм. Величина удельного сопротивления полупроводника, при отсутствии инфракрасного излучения, варьируется в диапазоне 107-1010 Ом/см[Error: Reference source not found]. При освещении устройства ближним инфракрасным излучением увеличение сопротивления может достигать более чем в 10 раз, достигая насыщения. Изменение сопротивления определяется условиями освещения и внешними факторами. На рисунке 9 представлен чертеж фоторезистора.  Рис. 9. Фоторезистор на основе CdS: 1 – корпус; 2 – кристалл CdS; 3 – изолирующая прокладка; 4 – стеклянное окошко; 5 – омические контакты из In-Ga пасты; 6 – электрические выводы Корпус фотосопротивления представляет собой металлический диск, диаметром около 10 мм и высотой 4 мм с полостью внутри, в которую и устанавливается рабочее тело (полупроводник, кристалл CdS) 2. Кристалл 2, для исключения контакта с корпусом 1 напротив окошка 4, крепится с помощью клея на изолирующую прокладку квадратной формы 3, имеющей толщину около 1 мм, которая приклеивается на дно полости металлического диска 1. Открытое отверстие диска герметично, с помощью клея, закрывается круглым стеклянным окошком 4. К кристаллу с торцевых сторон создаются омические контакты 5 с помощью индий-галлиевой пасты. В корпусе создаются два электрических вывода 6, изолированные от общего корпуса изолятором, и, подсоединяемые к индий-галлиевой пасте на полупроводнике с помощью гибких, тонких проводников. Выводы 6 расположены рядом с торцевыми сторонами полупроводника, на которые нанесена индий-галлиевая паста [Error: Reference source not found]. Устройство работает следующим образом: световое излучение, проходящее через окошко 4, пропускает излучение в спектральном диапазоне длин волн от 650 до 1100 нм (ближний инфракрасный диапазон спектра) для возбуждения полупроводника 2. Из-за внутреннего фотоэффекта в полупроводнике 2 происходит заполнение глубоких «примесных» состояний акцепторного типа электронами (так называемых r-центров), что вызывает делокализацию дырок, что в свою очередь приводит к росту скорости рекомбинации электронно-дырочных пар и, соответственно, к росту его сопротивления (отрицательная фотопроводимость). Через определенный промежуток времени, зависящий от концентрации глубоких акцепторных центров в полупроводнике, сопротивление кристалла достигает насыщения, т.е. практически не меняется. При выключенном инфракрасном освещении, сопротивление кристалла 2 уменьшается довольно медленно, и, через определенный промежуток времени достигается начальный уровень, который становится практически неизменным. Время релаксации также определяется концентрацией собственно-дефектных состояний в полупроводнике. Условия освещения, а также приложенное напряжение и температура полупроводника 2 используются для определения увеличения сопротивления после облучения кристалла инфракрасным светом и времени выключения освещения. 2.3. Особенности обработки сигналовСам датчик не может выполнять вычисления, но его сигналы используются и обрабатываются микроконтроллерами, с последующими вычислениями. Сигналы фоторезистора регистрируется аналоговыми и цифровыми логическими схемами. В большинстве случаев задержка сигнала в доли секунды не является препятствием для использования фоторезисторов. В дополнение к общим правилам хранения и эксплуатации для всех элементов электронной техники, при использовании фоторезисторов необходимо соблюдать некоторые специфические требования, которые предъявляются только к ним. Перед первым запуском фоторезистора правила хранения и эксплуатации, указанные в технических документах (технические данные, технические паспорта, руководства), должны основываться на конкретных типах фоторезисторов. Хранение фоторезисторов производится в таре завода-изготовителя в складских условиях или в отапливаемых помещениях, где влажность воздуха не превышает 80%, а температура находится в пределах от +5 до +35 °С. Контроль параметров фоторезисторов следует производить в помещениях, где температура равна 20±2°С, а относительная влажность воздуха не выше 80%. Если такие условия отсутствуют, необходимо принимать специальные меры для термостатирования фоторезистора, так как параметры фоторезисторов имеют сильную температурную зависимость [9]. Некоторые типы фоторезисторов (сернисто-кадмиевые и селенисто-кадмиевые) перед измерением параметров подвергаются предварительному облучению в течение одного часа от источника, создающего освещенность около 100 лк. Непосредственное измерение параметров осуществляется через 15 сек после включения источника типа А с рабочей (контрольной) освещенностью, равной 200 или 300 лк (в зависимости от конкретного типа приборов). Значение темнового тока замеряется через 30 сек после выключения источника типа А. При измерениях необходимо устранять всякую возможность засветки фоторезистора посторонними источниками (дневной свет или свет от электрического освещения). При внешнем осмотре фоторезисторов следует обращать внимание на целостность входного окна, в том числе и на сохранность его просветляющего покрытия (если оно имеется). Если входное окно загрязнено, его можно осторожно протереть чистым батистом, смоченным спиртом-ректификатом. Категорически запрещается касаться просветляющего покрытия предметами, могущими вызвать его повреждение. До монтажа в схему входное окно должно быть закрыто защитным колпачком. При проверке состояния выводов следует обращать внимание на состояние их изоляции и целостности экранной оплетки. Перед монтажом фоторезистора в схему следует ознакомиться с инструкцией по его эксплуатации, которая должна быть согласована с заводом — изготовителем фоторезисторов. В инструкции обычно предусматривается допустимое расстояние припайки выводов, мощность паяльника, правила обращения с выводами и приборами в целом. Конструкция, схема и условия эксплуатации устройства, где применяется фоторезистор, должны обеспечивать нормальный режим его эксплуатации. В частности, не следует превышать указанные в технических условиях рабочее и максимально допустимое напряжения, мощность рассеяния, температуру и влажность окружающего воздуха, давление. Нарушение этих условий может привести к сокращению его срока службы или даже к полной потере работоспособности. Пайка фоторезистора в схему производится только в обесточенную цель. При этом принимаются меры (выбор размера паяльника, места пайки, вида припоя), не допускающие нагрев фоторезистора. Перед включением напряжения питания необходимо проверить правильность соединений с целью исключения подачи на фоторезистор напряжения, большего, чем указано в его паспорте. Не допускается подача напряжения на фоторезистор при попадании на него прямого солнечного света [9]. Во время транспортировки, монтажа в аппаратуру и проведения различного рода проверок необходимо предохранять фоторезистор от случайных ударов и многократных перегибов выводов, не касаться инструментом входных окон и фильтров. При эксплуатации охлаждаемых фоторезисторов помимо правил, перечисленных выше, необходимо соблюдать и ряд других, определяемых наличием хладоагента и его фазовым состоянием (жидкий или газообразный). Для приведения в рабочее состояние охлаждаемого жидким хладоагентом фоторезистора необходимо, прежде всего, заправить его хладоагентом. При этом следует соблюдать меры предосторожности. Жидкие хладоагенты (азот, неон, гелий) на открытом воздухе при окружающей температуре очень интенсивно кипят. Брызги хладоагента, имеющего очень низкую температуру, при небрежном с ним обращении могут попасть на открытые участки кожи рук или лица и вызвать их обморожение. Поэтому заправку хладоагента в сосуд Дьюара фоторезистора следует производить, пользуясь специальной воронкой и защитными очками. Во время заливки жидкого хладоагента воронку нужно держать так, чтобы при заполнении им внутренней полости сосуда Дьюара фоторезистора имелась возможность выхода оттуда воздуха. Готовность фоторезистора к работе оценивается по резкому увеличению его темнового сопротивления, измеряемого с помощью специальной цепи индикации, содержащей контрольный измерительный прибор. В некоторых случаях рабочая температура фоточувствительного элемента контролируется с помощью специального термодатчика (терморезистора), встроенного в прибор в непосредственной близости от фоточувствительного элемента. Сопротивление термодатчика измеряется, например, с помощью измерительного моста МВЛ-47 или любого другого прибора для измерения сопротивления. Показания термодатчика переводятся в градусы с помощью градуировочной кривой. При продолжительной работе фоторезистора должна производиться периодическая дозаливка его хладоагентом, причем в условиях повышенной окружающей температуры и воздействия вибрационных нагрузок дозаливка хладоагента производится чаще, чем при работе в нормальных условиях. После заливки хладоагента для уменьшения скорости его испарения заливное отверстие фоторезистора закрывается иногда специальной крышкой, в которой обязательно должно быть небольшое отверстие для выхода образующегося газа. Эксплуатация охлаждаемых фоторезисторов, у которых в качестве хладоагента используется сжатый до высокого давления азот, требует соблюдения специальных мер, а поэтому должна производиться персоналом, обученным и аттестованным на право работы с газом высокого давления [11]. Перед присоединением фоторезистора к азотной магистрали высокого давления последнюю необходимо в течение нескольких минут (около 3 мин) продуть рабочим газом, чтобы предотвратить забивку фильтра и дюзы микрохолодильника посторонними твердыми частицами, капельками влаги или масла, которые случайно могут попасть в трубопровод, подсоединяемый ко входу фоторезистора. После этого снять с фоторезистора заглушки с входного и выходного каналов, подсоединить к азотной магистрали высокого давления вход фоторезистора и подать в канал «вход» прибора газообразный азот высокого давления. После выхода прибора на рабочий режим, о чем судят по изменению сопротивления фоточувствительного элемента или термодатчика, подать на прибор рабочее напряжение, величина которого указывается в паспорте на фоторезистор. После того как проделаны перечисленные выше операции в указанной последовательности, фоторезистор готов к работе. Если рабочий газ имеет недостаточную степень очистки, то не исключена возможность постепенного снижения расхода газа в единицу времени, а иногда и полного прекращения его поступления из-за забивки (засорения) микрохолодильника (входного фильтра или дюзы). Снижение расхода. газа, приводящее к повышению температуры фоточувствительного элемента, можно обнаружить по ухудшению параметров фоторезистора и по показаниям термодатчика или иной цепи индикации температурного режима прибора [12]. Для восстановления работоспособности прибора необходимо произвести продувку микрохолодильника рабочим газом в течение 5—10 мин, для чего следует снять технологическую заглушку с канала «продувка». По окончании продувки заглушка устанавливается на‚ прежнее место. Если после продувки параметры фоторезистора не восстанавливаются, его следует заменить исправным. После окончания работы запрещается отсоединять фоторезистор от магистрали высокого давления до тех пор, пока не произведен сброс высокого давления. Не следует также подключать фоторезистор к азотной магистрали высокого давления, если давление в ней выше максимально допустимого, указанного в паспорте прибора. Несоблюдение этого правила может привести к разрушению прибора. Темновое сопротивление неохлажденного фоторезистора значительно ниже, чем у охлажденного. Поэтому категорически запрещается подавать на фоторезистор, вмонтированный в аппаратуру, рабочее напряжение до того момента, пока не произведена заливка жидкого азота или не подан сжатый азот высокого давления. На неохлаждаемый прибор можно кратковременно подавать рабочее напряжение только в том случае, если к нему подключена нагрузка, равная по величине темновому сопротивлению охлажденного фоторезистора [13]. Заключение Целью курсовой работы являлась выработка практических навыков по анализу принципа действия, устройства и основных свойств фоторезисторов. Были выяснено, что фоторезистор – это полупроводниковый прибор, который изменяет свое сопротивление при облучении светом и которые не имеют полярности. Главным параметром фоторезистора является его сопротивление при полном отсутствии падения света на него – темновое сопротивление. Рассмотрены также физические процессы, которые протекают в данных приборах. По конструкции, в основе каждого такого прибора есть подложка, чаще всего керамическая, которая покрыта слоем полупроводникового материала. Сверху змейкой наносится тонкий слой золота, платины или другого коррозиестойкого металла. Напиленные слои соединяют с электродами, куда поступает электрический ток. Конструкцию покрывают прозрачным пластиком и помещают в корпус с окошком для попадания световых лучей. И были рассмотрены примеры фоторезисторов из различных материалов. В основном, применяются фоторезисторы из антимонида индия, при использовании которых можно получить простые приемники дальнего инфракрасного излучения, и фоторезисторы на основе монокристалла, функционирующий в ближней инфракрасной области спектра. Список использованных источников Богданов, Э. О. Фоторезисторы и их применение / Э. О. Богданов. – Л. : Энергия, 1978. – 144 с. Аксененко, М. Д. Фоторезисторы / М. Д. Аксененко, Е. А. Красовский. – М. : Советское радио, 1973. – 56 с. Бурнаевская, Е. В. Исследование световых и вольт-амперных характеристик фоторезисторов / Е. В. Бурнаевская, В. Н. Гришанов, И. Р. Нигматулин [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://repo.ssau.ru/bitstream/Metodicheskie-ukazaniya/Issledovanie-svetovyh-i-voltampernyh-harakteristik-fotorezistorov-Elektronnyi-resurs-metod-ukazaniya-53427.pdf. Ишанин. Г.Г., Приемники излучения / Г. Г. Ишанин, Э. Д. Панков, В. П. Челибанов. – СПб. : Папирус, 2003. – 527 с. Амброзяк, А. Конструкция и технология полупроводниковых фотоэлектрических приборов / А. Амбозяк; пер. с польск. под ред. Б. Т. Коломоийца. – М. : Изд-во Советское радио, 1970. – 392 с. Олеск, А. О. Фоторезисторы / А. О. Олеск. – М. : Изд-во Энергия, 1966. – 128 с. Алейник, А. С. Основы схемотехники приемопередающих электронных устройств / А. С. Алейник [и др.]. – СПб : ун-т ИТМО, 2021. – 149 с. Пат. 121102 Российская Федерация, МПК H 01 L 31/09. Фоторезистор на основе InSb / Филатов А. В., Сусов Е. В., Астахов В. П., Карпов В. В., Гиндин П. Д. ; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество "Московский завод «САПФИР». - № 2012127181/28 ; заявл. 29.06.12 ; опубл. 10.10.12, Бюл. № 28. – 7 с. : ил. Пат. 189458 Российская Федерация, МПК H 01 L 31/09. Фоторезистор на основе монокристалла CdS, функционирующий в ближней инфракрасной области спектра / Батырев А. С., Бисенгалиев Р. А., Чавлинова М. Б. ; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Калмыцкий государственный университет имени Б.Б. Городовикова». - № 2018123649 ; заявл. 28.06.18 ; опубл. 23.05.19, Бюл. № 15. – 3 с. : ил. Антонов, Е. И. Устройства для охлаждения приемников излучения / Е. И. Антонов [и др.]. – М. : Изд-во Машиностроение, 1989. – 248 с. Василевский, А. М. Оптическая электроника / А. М. Василевский [и др.]. – М. : Изд-во Энергоатом, 1990. – 176 с. Матвеев, Б. В. Общая электротехника и электроника / Б. В. Матвеев. – Воронеж, 2005. – 182 с. Александровский, А. С. Техника оптических измерений / А. С. Александровский, С. Т. Им. – М. : Изд-во СФУ, 2007. – 129 с. |