Фоторезисторы. Фоторезисторы (1). В настоящее время трудно найти такую отрасль народного хозяйства, науки или техники, где бы не применялись фоторезисторы

• Название: В настоящее время трудно найти такую отрасль народного хозяйства, науки или техники, где бы не применялись фоторезисторы
• Анкор: Фоторезисторы
• Дата: 09.12.2021
• Размер: 0.76 Mb.
• Имя файла: Фоторезисторы (1).docx
• Тип: Документы; #298368

1. Введение

Фотоэлектрические приемники лучистой энергии - приборы для обнаружения и измерения электромагнитного излучения, основанные на фотоэффекте, находят все более широкое применение в различных областях техники и для научных исследований. Наряду с другими типами фотоприемников, к числу фотоэлектрических приемников лучистой энергии относятся и фоторезисторы, т.е. приборы, основанные на явлении фотопроводимости.

Явление фотопроводимости (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). Дальнейшему развитию фоторезисторов способствовала возможность использования невидимого человеческим глазом инфракрасного излучения многих объектов в военных целях. В 1940 г. были получены первые сведения о фотопроводимости в PbS и PbSe.

В нашей стране большую роль в деле изучения фотоэффекта в полупроводниках, в создании и изучении новых полупроводниковых материалов, пригодных для изготовления фоторезисторов, сыграли работы А.Ф. Иоффе и его сотрудников.

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.

В настоящее время трудно найти такую отрасль народного хозяйства, науки или техники, где бы не применялись фоторезисторы.

2. Фоторезисторы, их свойства и принцип работы

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого меняется под действием светового потока. Структура фоторезистора и схема его включения показаны на рис. 1 (а, б).


Рис. 1. Структура фоторезистора и схема его включения
Основной частью фоторезистора является полупроводниковый элемент, снабженный выводами и расположенный так, что на него может падать свет (рис. 1, а). На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 по краям. Фоторезистор включается в цепь независимо от полярности источника питания Е.

Схема включения фоторезистора показана на рис. 1, б. Здесь R - нагрузочное сопротивление, U - снимаемое с него напряжение, U - напряжение источника питания.

Принцип действия фоторезистора основан на образовании дополнительного количества подвижных носителей заряда в результате поглощения полупроводником лучистой энергии, вследствие чего уменьшается его сопротивление, т.е. возникает дополнительная электропроводность, называемая фотопроводимостью полупроводника.

Если освещать поверхность полупроводника непрерывно, то число дополнительных носителей заряда будет возрастать до наступления динамического равновесия, когда число вновь появившихся носителей будет равно числу рекомбинировавших. После прекращения освещения избыточные носители рекомбинируют друг с другом и восстанавливается прежняя величина проводимости, характерная для необлучаемого элемента.

В фоторезисторах используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электропроводности вещества под воздействием электромагнитного излучения. Выражение для фотопроводимости имеет вид

σ =е n µ, (2)

Атомы элементов, как известно, состоят из положительно заряженного ядра и электронов, движущихся вокруг него по определенным орбитам, образующим систему оболочек (эти оболочки обозначаются буквами K, L, N и др.). Энергетическое состояние электрона в атоме, т.е. его потенциальная и кинетическая энергия, определяется номером орбиты, по которой он движется.

Из сказанного выше следует, что энергетический спектр состояний электронов в атоме может быть изображен 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. Причем переход электрона с уровня на уровень следует понимать не как перемещение его в пространстве, а как потерю или приобретение им энергии по сравнению с первоначальным ее значением.

Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства материалов определяются числом только внешних, наименее связанных с ядром валентных электронов, поведение которых в периодическом поле кристаллической решетки описывается зонной теорией. В соответствии с этой теорией при образовании кристаллической решетки, т.е. при сближении атомов, их энергетические уровни вследствие взаимодействия расщепляются, образуя отдельные зоны.

Энергетический спектр валентных электронов в кристаллической решетке твердого тела изображен на рис. 2.

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. В принципе могут иметь место три случая: а) все состояния образовавшейся зоны заполнены электронами, б) зона частично заполнена электронами, в) зона полностью свободна от электронов. 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.

Рис. 2. Энергетический спектр валентных электронов в различных материалах (а - металл, б - полупроводник, в - изолятор)

фоточеский фоторезистор оптический электрон

У различных твердых веществ эти две зоны относительно друг друга могут занимать различное положение. У металлов (см. рис. 2,а) эти зоны либо непосредственно примыкают друг к другу, либо даже перекрывают друг друга. По величине энергии энергетические уровни в зоне проводимости отличаются очень незначительно (порядка 10-23 эв). Поэтому можно считать, что в пределах зоны 2 энергетический спектр практически непрерывен. Так как средняя тепловая энергия атома при комнатной температуре составляет примерно 4∙10-2 эв, т.е. во много раз больше, чем энергетический барьер между соседними уровнями зоны 2, то в пределах последней электроны металлов могут свободно переходить с одного уровня на другой.

В полупроводниках и изоляторах энергетический спектр разрешенных уровней, находящихся в валентной зоне 1 и в зоне проводимости 2, разделен зоной запрещенных энергетических уровней, ширина которых равна ΔЕ эв (см. рис. 2,б, в). Приложение электрического поля к материалу, имеющему такую структуру, не вызывает появления электрического тока, несмотря на то, что концентрация электронов в валентной зоне может быть такой же, как у металлов. Это объясняется тем, что все энергетические состояния валентной зоны уже заняты, а поэтому находящийся в электрическом поле электрон не может повысить свое энергетическое состояние, т.е. 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 запрещенной зоны ΔЕ, и попала в зону проводимости, где они могут свободно перемещаться в электрическом поле. При температуре выше абсолютного нуля вероятность таких переходов существует за счет теплового движения электронов. Величина электропроводности материалов (σ) при этом будет определяться соотношением между средней тепловой энергией электронов и шириной запрещенной зоны

σ=А е [ом ·см ], (3)

где А - коэффициент, зависящий от материала полупроводника; ΔЕ - ширина запрещенной зоны, эв; k - постоянная Больцмана (k=1,38·10 вт·сек/град); Т - абсолютная температура, °К.

По величине электропроводности при комнатной температуре кристаллические вещества условно делят на полупроводники и изоляторы

Если в кристаллической решетке полупроводника имеются различные примеси, то они существенно изменяют как величину, так и характер электропроводности полупроводника.

Энергетические уровни валентных электронов примеси могут располагаться либо вблизи зоны проводимости (рис. 3,б), либо вблизи валентной зоны (рис. 3,в).


Рис. 3. Электронные переходы в полупроводниках в случае собственной (а) и примесной (б, в) проводимостей
В первом случае дополнительная, сверх собственной, электропроводность создается в результате перехода электронов с энергетического уровня примеси (донорный уровень) в свободную зону 2 полупроводника при преодолении ими энергетического барьера ΔЕ , во втором случае - в результате образования свободных дырок в валентной зоне за счет ухода электронов из валентной зоны 1 полупроводника на энергетический уровень примеси (акцепторный уровень), преодолевая при этом энергетический барьер ΔЕ .

Полупроводники с донорной примесью называются электронными или полупроводниками n-типа, а с акцепторной примесью - дырочными или полупроводниками p-типа.

Поскольку ΔЕ < ΔЕ и ΔЕ < ΔЕ, то для перевода электронов в возбужденное состояние в примесном полупроводнике им необходимо сообщить значительно меньше энергии, чем в чистом (собственном) полупроводнике. В примесных полупроводниках основное повышение электропроводности достигается при переходе электронов из заполненной зоны на акцепторный уровень примеси (для полупроводника p-типа) или с уровня донорной примеси в свободную зону 2 (для полупроводника n-типа) при преодолении ими энергетического барьера ΔЕ или ΔЕ . В первом случае основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в заполненной зоне 1 (дырочная проводимость), во втором - электроны, перешедшие в свободную зону 2 (электронная проводимость). Кроме основных носителей тока, в примесных полупроводниках имеет место и электронно-дырочная проводимость, как и у беспримесных полупроводников. Однако число таких носителей значительно уступает количеству основных носителей. Вследствие этого носители собственной проводимости в примесных полупроводниках получили название неосновных (для полупроводников p-типа это электроны, а для полупроводника n-типа - дырки).

В последнем случае электроны получают дополнительную энергию, необходимую для преодоления запрещенной зоны, от квантов излучения. Очевидно, что энергия кванта должна быть больше ширины запрещенной зоны, т.е.

ε≥ΔЕ. (7)

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 более подробно. В отсутствие облучения благодаря непрерывному взаимодействию электронов с кристаллической решеткой полупроводника температура чувствительного элемента фоторезистора устанавливается практически постоянной. Этой температуре соответствует определенная концентрация электронов и дырок (n и p ), образовавшихся в результате тепловых забросов электронов валентной зоны (или примеси) в зону проводимости. Эти электроны и дырки принято называть равновесными носителями тока.

При воздействии на полупроводник лучистого потока в нем возникают избыточные пары носителей тока (электроны и дырки) за счет перехода их с основных или примесных уровней в зону проводимости. Общая концентрация носителей в этом случае будет равна сумме концентраций равновесных (n , p ) и неравновесных (Δn, Δp) носителей

= n +Δn, p=p +Δp. (8)

Концентрация неравновесных носителей, возникающих под воздействием излучения, пропорциональна количеству поглощенных полупроводником квантов излучения и количеству пар электрон-дырка, образующихся на один поглощенный квант (т.е. пропорциональна квантовой эффективности):

Δn=Δp=βkN, (9)

где β - квантовая эффективность; k - коэффициент поглощения; N - интенсивность лучистого потока (квант/сек).

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. Из соотношения (9) следует, что 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.

При значительном понижении температуры полупроводников на основе соединений свинца ширина их запрещенной зоны уменьшается, в результате чего длинноволновая граница фотопроводимости, как следует из выражения (20), смещается в сторону более длинных волн. Обратную картину имеют соединения на основе индия (InSb, InAs), длинноволновая граница чувствительности которых при охлаждении смещается в сторону более коротких волн.

Следует отметить, что фотопроводимость наблюдается не во всей области, где λ< λ , а только в ее длинноволновой части (рис.4).



Рис. 4. Спектральная зависимость коэффициента поглощения (k ), собственной (I) и примесной (II) фотопроводимостей.

λ и λ - длинноволновые границы собственной и примесной фотопроводимостей

Одна из причин, объясняющих это явление, заключается в том, что по мере уменьшения λ быстро растет поглощение полупроводника, и основная доля энергии поглощается в поверхностном слое, в результате чего за счет поверхностной рекомбинации резко снижается число носителей тока. С другой стороны это вызвано еще и тем, что при одной и той же мощности излучения, приходящейся на единичный интервал длины волны, что вытекает из выражений (14) и (19). Следовательно, при уменьшении длины волны уменьшается число квантов, а вместе с ним и фотопроводимость полупроводника. В силу указанного обстоятельства все фоторезисторы обладают селективной (по длине волны) чувствительностью.

Спектральная характеристика примесной фотопроводимости сдвинута относительно собственной (беспримесной) в сторону больших длин волн. Вследствие меньшей концентрации атомов основного материала примесное поглощение, а следовательно, и примесная фотопроводимость существенно ниже фотопроводимости собственного полупроводника (см. рис. 4).

Для получения фототока не обходимо в цепь последовательно с фоторезистором включить посторонний э.д.с. Выражение для фототока можно записать в виде

= σ ES, (21)

где σ - фотопроводимоть; Е - напряженность электрического поля; S - площадь сечения полупроводника, по которому протекает фототок.

Фототок представляет собой разность между световым током I и темновым I :

= I - I , (22)

Темновой ток является одним из параметров фоторезистора. Иногда более удобно пользоваться понятием темновое сопротивление, которое определяется как сопротивление неосвещенного фоторезистора.

На рис. 5 приведены вольт-амперные и световая характеристики фоторезистора.



Рис. 5. Вольт-амперные (а) и световые (б) характеристики фоторезисторов
Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейны в пределах максимально допустимой мощности рассеяния на них. При большем напряжении на фоторезисторе вследствие чрезмерного нагрева происходит разрушение светочувствительного слоя. Вольт-амперные характеристики в общем случае могут быть записаны в виде

=A E U , (23)

где γ - коэффициент нелинейности вольт-амперной характеристики; α - коэффициент нелинейности световой характеристики; A - постоянная, определяемая параметрами полупроводника; U - приложенное напряжение; E - освещенность.

Световые характеристики фоторезисторов обычно нелинейны. Особенностью световых характеристик является наличие темнового тока, т.е. тока, протекающего через фоторезистор при отсутствии освещенности (в темноте). В определенном интервале освещенностей она может быть аппроксимирована выражением

I = A U Ф . (24)

Величина фототока достигает своего максимального значения лишь через некоторое время после начала облучения. Точно так же после прекращения освещения фототок прекратится лишь через определенное время (рис. 6). Таким образом, фототок не успевает следовать за изменением освещенности.


Рис. 6. Инерционность фоторезистора при мгновенном включении и выключении светового потока

Инерционность фоторезисторов характеризует постоянная времени τ, за которое фототок уменьшится в е раз после мгновенного затемнения фотосопротивления. С увеличением температуры и освещенности постоянная времени уменьшается.

Фоторезисторам свойствен процесс старения. Он заключается в постепенном уменьшении омического сопротивления, изменении фототока и росте чувствительности. Процесс этот продолжается в течение нескольких сотен часов, после чего его параметры стабилизируются.

В настоящее время фоторезисторы изготавливаются на основе полупроводниковых материалов, обладающих как собственной, так и примесной фотопроводимостью. К первой группе следует отнести фоторезисторы на основе соединений свинца (PbSe, PbS, PbTe) и индия (InSb, InAs). В последнее время стали разрабатываться фоторезисторы на основе тройных соединений типа HgCdTe, PbSnTe, представляющие собой твердые растворы двух компонент (HgTe и CdTe, PbTe и SnTe), у которых область спектральной чувствительности может изменяться в широких пределах в зависимости от количественного содержания отдельных компонент. Ко второй группе относятся фоторезисторы на основе германия и кремния, легированных примесями различных элементов - золота (Ge : Au), золота и сурьмы (Ge : Au, Sb), цинка (Ge : Zn), цинка и сурьмы (Ge : Zn, Sb), меди (Ge : Cu), кадмия (Ge : Cd), ртути (Ge : Hg), бора (Si : B), а также сплав кремния с германием, легированный цинком и сурьмой (Ge-Si : Zn, Sb), и другие сочетания примесей.

Фоторезисторы на основе CdS и CdSe могут быть отнесены к приемникам с собственной или примесной фотопроводимостью в зависимости от концентрации введенной примеси (например, Cu или Ag).

3.Технические параметры

4. Заключение

В данной курсовой работе мы рассмотрели физические основы работы фоторезисторов, их вольт0амперные и световая характеристики, инерционность, изучили явление фотопроводимости и электропроводности.

При всей своей простоте, фоторезисторы обладают определенными недостатками, ограничивающими их применение. Так фоторезисторы применяются лишь на частотах не выше сотен герц или единиц килогерц. Существенным недостатком надо считать также их большую инерционность, объясняющуюся довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения. Наибольшее применение фоторезисторы нашли в различных устройствах автоматики, устройствах охраны и контроля за медленными процессами.

Фоторезисторы широко применяются в качестве элементов оптико-электронных приборов, так как области их спектральной чувствительности хорошо согласуются со спектрами излучения электролюминесцентных конденсаторов и светодиодов.

Обозначение фоторезисторов состоит из букв ФС или СФ (фотосопротивление), за которыми следует буква и цифра, характеризующие состав материала полупроводника и конструктивное оформление (A - PbS, K - CdS, Г - герметизированная конструкция).

Все более широкое применение находят оптико-электроные приборы и системы в медицине, биологии, сельском хозяйстве, а также в бытовой технике. Оптическая электроника бурно развивается. Разрабатываются новые типы источников и приемников, создаются новые материалы, осваиваются новые спектральные диапазоны, совершенствуются методы обработки оптических сигналов и изображений и возможно, уже скоро для нас откроется что-то новое, ведь прогресс не стоит на месте.

5. Список литературы

1. 
   Аксененко М.Д. и Красовский Е.А. Фоторезисторы. М., «Сов. радио», 1973. 56 с.
   
2. 
   Овечкин Ю.А. Полупроводниковые приборы. Учебник для учащихся радиотехнических специальностей техникумов. М., «Высш. школа», 1974. 303 с.
   
3. 
   Василевский А.М. и др. Оптическая электроника. Л.: Энергоатом-издат. Ленингр. Отд-ние, 1990. 176 с.
   
4. 
   Матвеев Б.В. Общая электротехника и электроника: Учеб. пособие.Ч.З: Длинная линия, нелинейные цепи и электроника. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005, 182 с.