фоторезисторы характеристики и параметры

Фоторезистор

Среди большого разнообразия фотоэлектрических приёмников есть и такие, которые меняют своё сопротивление под воздействием излучения. К ним относят фоторезисторы (фотосопротивления).

В зарубежной литературе фоторезистор называют Photoresistor, Photo conductive cell, Photocell, а также аббревиатурой LDR (от англ. – Light Dependent Resistor, «светозависимый резистор»).

Наряду с аббревиатурой LDR также используется сокращённое название CDS. Оно пошло от химической формулы сульфида кадмия (CdS) в связи с тем, что данное соединение широко применяется при производстве фоторезисторов.

Обозначение фоторезистора на схемах

На принципиальных схемах фоторезистор обозначается так же как и обычный резистор, но с небольшим отличием. Прямоугольник обведён кругом (иногда может отсутствовать), а снаружи его изображены две стрелки под углом 45°, которые символизируют падающий на чувствительный элемент поток излучения.

Данное обозначение считается новым и принято IEC (International Electrotechnical Commission), – международной электротехнической комиссией (МЭК).

Иное обозначение фоторезистора можно встретить на иностранных схемах. Сопротивление фоторезистора на нём изображается в виде ломаной линии.

Дело в том, что данное обозначение было принято IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), – институтом инженеров электротехники и электроники. Оно считается устаревшим, но встречается довольно часто.

Также очень редкое изображение, но может где и встретите.

Устройство и конструкции фоторезисторов

Несмотря на большое разнообразие фоторезисторов, конструкция их имеет схожую структуру. Основой является фоточувствительный элемент (сокращённо – ф.ч.э), который выполнен из полупроводникового материала, который чувствителен к электромагнитному излучению в видимом или инфракрасном диапазоне длин волн.

Фоточувствительный элемент может быть выполнен в виде пластинки монокристалла или же тонкого фоточувствительного слоя из полупроводника, который нанесён на поверхность изолирующей подложки из керамики, стекла или кварца.

Устройство фоторезистора с ф.ч.э из тонкой плёнки показано на рисунке.

Пояснения к рисункам: Ф – поток оптического излучения, h – ширина ф.ч.э., l – расстояние между электродами, d – толщина чувствительного слоя, U_см – напряжение, приложенное к выводам фоторезистора.

Фоточувствительный элемент из тонкой плёнки создаётся химическим способом (пульверизация исходного материала из суспензии), либо формируется вакуумным напылением (физическая технология).

Электроды выполняют в виде проводящих плёнок методом напыления в вакууме из металлов, устойчивых к коррозии (золота, платины или серебра).

Устройство фоторезистора с ф.ч.э в виде пластинки из однородного полупроводникового материала.

Кристаллические фоточувствительные элементы вырезаются из слитка исходного полупроводникового материала (кремния, германия, антимонида индия) и имеют форму пластин, кубиков или параллелепипедов с размерами до нескольких миллиметров.

Также, как и для плёночных ф.ч.э, электроды выполняются из золота или других металлов, стойких к коррозии.

Для работы в условиях повышенной влажности и температуры применяются фоторезисторы, выполненные в герметичном корпусе из металла. Фоточувствительный элемент помещается в металлический корпус с окном, изготовленном из оптического материала (стекла, сапфира (лейкосапфира), плавленного или природного кварца, просветлённого германия или кремния).

Стоит отметить, что от оптических свойств материала, который используется для изготовления входного окна, зависят параметры фоторезистора. Оно может выполнять роль оптического фильтра и не пропускать, к примеру, видимое излучение, в то время, как для инфракрасного оно будет прозрачно.

На фото показан фоторезистор СФ2-8 выполненный в герметичном металлостеклянном корпусе.

Также можно встретить более простые конструкции фоторезисторов с корпусом из пластмассы. В таком варианте для защиты фоточувствительного слоя от воздействия влаги и воздуха его поверхность покрывается слоем лака.

Лак обладает прозрачностью в той области спектра, для работы в которой предназначен фоторезистор.

Далее показан фоторезистор ФСК-2, выполненный в корпусе из пластмассы с жёсткими штыревыми выводами для установки в октальную панель (РШ5-1).

Чаще всего в бытовой электронике можно встретить импортные фоторезисторы серий GM, GL, PGM (например, GM5528, GL5516, PGM5539), а также изделия серии VT900 (VT93N1 и подобные). По своему внешнему виду они все очень похожи и имеют одинаковую конструкцию, но разный диаметр подложки-основания.

Предназначены для работы в видимом спектре излучения, а чувствительный слой изготовлен из сульфида или селенида кадмия (имеет оранжевато-красный цвет).

Поскольку эти фоторезисторы не имеют внешнего корпуса, то их можно причислить к бескорпусным. Монтируются такие фоторезисторы на печатную плату, а защитой от внешних воздействий служит сам корпус прибора.

Рассмотрим конструкцию такого фоторезистора на примере импортного изделия серии GM125**.

На керамическую подложку (ceramic substrate) нанесена тонкая плёнка из сульфида кадмия (CdS). Это фоточувствительный слой. Его сопротивление меняется под воздействием излучения видимого спектра.

Методом испарения в вакууме на поверхность фоточувствительного слоя напыляется проводящий слой (металлизация). Затем в нём формируется зазор в виде изогнутой линии – «змейки». Зазор разделяет металлизацию на два контактных слоя, к которым прикрепляются жёсткие выводы под пайку, а также через него проникает световой поток.

Такое исполнение, когда слой металлизации находится поверх фоточувствительного, создаёт надёжный контакт между ними, а форма выреза в виде «змейки» обеспечивает хорошую засветку фоточувствительного материала.

Для защиты от внешнего воздействия вся конструкция покрывается прозрачным защитным составом из эпоксидной смолы (epoxy resin).

Стоит отметить, что кроме фоторезисторов, способных работать при температуре окружающего воздуха, существуют ещё и охлаждаемые фоторезисторы.

Принцип работы фоторезистора

Принцип работы фоторезистора основан на таком явлении, как фотопроводимость (фоторезистивный эффект), которое относится к внутреннему фотоэффекту, то есть изменению электропроводности вещества при воздействии на него электромагнитного излучения.

Основой любого фоторезистора служит полупроводник. Под воздействием электромагнитного излучения (видимого света или инфракрасного) в веществе полупроводника возрастает количество носителей тока. Поэтому, в результате освещения полупроводника его сопротивление падает, а при затемнении, наоборот, растёт.

Наглядно увидеть изменение сопротивления фоторезистора можно при помощи мультиметра.

Подключаем выводы фоторезистора к щупам мультиметра, включенного в режим омметра.

Световое сопротивление фоторезисторов серии GM (GM35**, GM45**, GM55**, GM75**, GM125**, GM205**, GM255**) лежит в интервале 5. 200 кОм (в зависимости от конкретного изделия) при освещённости в 10 люкс (lux). Поэтому предел измерения можно выставить в несколько килоом (2k, 20k или 200k).

На фото показано сопротивление импортного фоторезистора GM55** (предположительно GM5516, он же GL5516) в освещённом состоянии. Как видим, оно составляет 1,1 килоОм.

Если фоторезистор накрыть тёмной тканью или просто прикрыть ладонью, то его сопротивление резко увеличится. При этом, чтобы увидеть результат измерения, скорее всего, придётся переключить предел измерения на мультиметре в сторону больших пределов, как правило, мегаомных.

При затемнении сопротивление нашего фоторезистора увеличилось до 121 килоОма.

Стоит понимать, что фоторезисторы изготавливают из полупроводников имеющих один тип проводимости, поэтому никаких p-n переходов в своей структуре они не имеют. Благодаря этому фоторезистор неполярен и может включаться в схему без её соблюдения, в отличие, например, от фотодиода или фототранзистора.

Материалы чувствительного слоя фоторезисторов

Фоторезисторы изготавливаются на основе полупроводников, обладающих как собственной, так и примесной фотопроводимостью.

Полупроводниками с собственной фотопроводимостью являются соединения на основе свинца (PbS – сульфид свинца, PbSe – селенид свинца, PbTe – теллурид свинца) и индия (InAs – арсенид индия, InSb – антимонид индия).

К полупроводникам с примесной фотопроводимостью относят германий и кремний, легированные примесями таких элементов, как золото (Ge : Au), цинк (Ge : Zn), кадмий (Ge : Cd), медь (Ge : Cu), ртуть (Ge : Hg), бор (Si : B), селен (Si : Se), индий (Si : In).

Материалы на основе CdS и CdSe относят к полупроводникам как с собственной фотопроводимостью, так и примесной, поскольку в них может быть внесена примесь меди Cu или серебра Ag.

Каждый из материалов имеет свой диапазон спектральной чувствительности. Далее на графике показаны относительные характеристики спектральной чувствительности некоторых полупроводников.

Кроме того, на графике показаны характеристики полупроводников, применяемых в охлаждаемых фоторезисторах:

Для работы в видимом для человеческого глаза спектре в основном применяются фоторезисторы с чувствительным слоем из сульфида (CdS) и селенида кадмия (CdSe).

CdS (Cadmium sulphide. Он же сернистый кадмий, сульфид кадмия) – это соединение является полупроводником. Имеет жёлтый цвет, но при добавлении селена (Se) цвет может меняться вплоть до красно-фиолетового;

CdSe (Cadmium selenide, селенистый кадмий, селенид кадмия) – является полупроводником. Его кристаллы имеют тёмно-красный цвет. Используется для изготовления фоторезисторов, солнечных батарей и фотодиодов, а также применяется в качестве активной среды в полупроводниковых лазерах.

Фоторезисторы на основе этих химических соединений чаще всего встречаются в бытовой электронной аппаратуре. Не удивительно, что чувствительный к излучению слой в таких фоторезисторах имеет оранжевато-красный цвет.

На рисунке показана спектральная характеристика импортных фоторезисторов серии GM, которые широко применяются в электронике.

Пик чувствительности данных фоторезисторов приходится на излучение с длиной волны 540 (0,54 мкм) и 560 нм (0,56 мкм), что соответствует зелёному цвету.

Для работы в инфракрасном диапазоне длин волн, который невидим человеческому глазу, применяют фоторезисторы на основе соединений свинца (PbS, PbSe), индия (InSb), а также германий Ge и кремний Si, легированные примесями.

Далее изображён график спектральной чувствительности инфракрасных фотопроводящих детекторов серии PB45. Чувствительный элемент в них выполнен из селенида свинца PbSe.

Область спектральной чувствительности данных детекторов лежит в интервале от 1 до 4,7 микрометров (µm), а пик чувствительности приходится на излучение с длиной волны 4 микрометра.

Кроме перечисленных химических соединений и веществ в качестве чувствительного материала могут применятся и другие, например, сернистый висмут (BiS), арсенид индия (InAs), тройные соединения типа ртуть-кадмий-теллур (HgCdTe) и свинец-олово-теллур (PbSnTe), являющиеся твёрдыми растворами двух компонент (HgTe и CdTe, PbTe и SnTe).

Параметры фоторезисторов

Более подробно о параметрах и характеристиках фоторезисторов будет рассказано в отдельной статье. Здесь же разберём лишь несколько важных параметров, которые следует знать при подборе фоторезисторов, работающих при больших потоках излучения в видимом спектре.

R_T – темновое сопротивление фоторезистора (Ом). Сопротивление фоторезистора, измеренное при отсутствии освещения при поданном на него рабочем напряжении.

В даташитах на импортные изделия указывается как Dark resistance (Ω). Величина темнового сопротивления фоторезисторов обычно составляет единицы-десятки мегаом;

R_СВ – световое сопротивление фоторезистора (Ом). Сопротивление фоторезистора при его освещении (или инфракрасном облучении). В даташитах на импортные изделия указывается как Light resistance (Ω). Стоит отметить, что данный параметр указывается для определённого уровня освещённости фоторезистора, измеряемого в люксах (lux или lx). Как правило, для импортных фоторезисторов (типа PGM, GM, GL), которые работают в видимом спектре, это 10 люкс.

P или P_макс – допустимая мощность рассеивания или максимальная мощность (Вт, чаще мВт). Мощность, которую может выдержать фоторезистор длительное время без необратимого изменения его основных параметров. Допустимая мощность указывается для определённой температуры окружающей среды, как правило, это 25°С.

В англоязычной документации мощность рассеивания носит название Power dissipation – P_D(W или mW). Стоит отметить, что при чрезмерном нагреве, что характерно при превышении допустимой мощности, фоточувствительный элемент фоторезистора ещё может работать, но его эксплуатационные характеристики сильно ухудшаются, обычно, необратимо.

Uр – рабочее напряжение (В). Постоянное напряжение, подаваемое на фоторезистор, при котором гарантируются его номинальные параметры при длительной эксплуатации в заданных условиях. Рабочее напряжение фоторезисторов может быть от нескольких вольт до сотен вольт.

В справочниках на импортные фоторезисторы обычно указывается величина максимального постоянного напряжения (Max Voltage, VDC), которое способен выдержать фоторезистор конкретной серии.

Понятное дело, что максимальное напряжение падает на сопротивлении фоторезистора в затемнённом состоянии, когда его сопротивление очень велико (до нескольких десятков мегаОм). Также не стоит забывать о том, что при понижении температуры темновое сопротивление фоторезистора растёт, что может привести к тому, что напряжение на нём превысит максимальное и фоторезистор выйдет из строя.

При увеличении напряжения, подаваемого на фоторезистор, световой ток, проходящий через него также возрастает. В связи с этим, увеличивается нагрев фоточувствительного элемента, поэтому рабочее напряжение связано с максимальной мощностью фоторезистора, а также ограничено напряжением пробоя.

Как правило, чем большие габариты имеет фоторезистор, тем он мощнее и тем большее напряжение он способен выдержать.

Стоит также знать, что рост температуры окружающей среды и, как следствие, температуры самого фоточувствительного элемента приводит к ухудшению основных фотоэлектрических параметров, например, снижению вольтовой чувствительности и ухудшению порога чувствительности.

На параметры фоторезисторов также сильно влияет и постоянная фоновая засветка. Как правило, она приводит к ухудшению фотоэлектрических параметров, особенно у фоторезисторов на основе CdS/CdSe, работающих при больших световых потоках.

К недостаткам фоторезисторов можно отнести их инерционность, а также необходимость эксплуатации некоторых изделий при очень низких температурах, что требует применения специальных микрохолодильников или охлаждающих резервуаров, где охлаждение осуществляется за счёт жидкостей или газов.

Применение фоторезисторов

Фоторезисторы, работающие в видимом спектре нашли широкое применение в системах фотоэлектрической автоматики (автоматических выключателях света, счётных устройствах, датчиках обрыва полотна, датчиках взлома и т.п.), а также устройствах экспонометрии (приборах, измеряющих освещённость или яркость объектов при съёмке). Их можно обнаружить, например, в старых фотоаппаратах – «мыльницах».

Стоит отметить, что в современной электронике фоторезистор, в привычном понимании этого слова, встречается не так часто.

Как правило, они являются частью фотоприёмных устройств (ФПУ), в состав которых помимо фоточувствительного элемента (по-сути, фоторезистора) входит интегральный усилитель, схема автоматической регулировки усиления (АРУ), а также цепи питания.

Плюс ко всему этому может идти система охлаждения на элементах Пельтье, если фоточувствительный элемент охлаждаемый. Такие фотопроводящие детекторы (photoconductive detectors) выполнены в небольшом по размерам герметизированном корпусе.

Фоторезисторы и фотопроводящие детекторы, работающие в ИК-диапазоне применяются для обнаружения пламени (flame detection) или искры (spark detection), бесконтактного измерения температуры (non-contact temperature measurement), для мониторинга влажности (moisture monitoring), в медицинском оборудовании для обнаружения углекислого газа (medical CO₂ detection), для недиспергирующего инфракрасного анализа газов (non-dispersive infrared gas analysis).

Источник

Фоторезистор. Принцип работы, характеристики

Фоторезистор (фотосопротивление, LDR) – это резистор, электрическое сопротивление которого изменяется под влиянием световых лучей, падающих на светочувствительную поверхность и не зависит от приложенного напряжения, как у обычного резистора.

Фоторезисторы чаще всего используются для определения наличия или отсутствия света или для измерения интенсивности света. В темноте, их сопротивление очень высокое, иногда доходит до 1 МОм, но когда датчик LDR подвергается воздействию света, его сопротивление резко падает, вплоть до нескольких десятков ом в зависимости от интенсивности света.

Фоторезисторы имеют чувствительность, которая изменяется с длиной волны света. Они используются во многих устройствах, хотя уступают по своей популярности фотодиодам и фототранзисторам. Некоторые страны запретили LDR из-за содержащегося в них свинца или кадмия по соображению экологической безопасности.

Определение: Фоторезистор — светочувствительный элемент, чье сопротивление уменьшается при интенсивном освещении и увеличивается при его отсутствии.

Характеристики фоторезистора

Виды фоторезисторов и принцип работы

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, которые попадают на устройство, заставляют электроны перемещаться из валентной зоны в зону проводимости. В результате этого процесса появляется большое количество свободных электронов в материале, тем самым улучшается электропроводность и, следовательно, уменьшается сопротивление.

Фоторезисторы с внешним фотоэффектом производятся из материалов, с добавлением примеси, называемой легирующая добавка. Легирующая добавка создает новую энергетическую зону поверх существующей валентной зоной, заселенную электронами. Этим электронам требуется меньше энергии, чтобы совершить переход в зону проводимости благодаря меньшей энергетической щели. Результат этого – фоторезистор чувствителен к различным длинам волн света.

Несмотря на все это, оба типа демонстрируют уменьшение сопротивления при освещении. Чем выше интенсивность света, тем больше падает сопротивление. Следовательно, сопротивлением фоторезистора является обратная, нелинейная функция интенсивности света.

Фоторезистор на схемах обозначается следующим образом:

Чувствительность фоторезистора от длины волны

Чувствительность фоторезистора зависит от длины волны света. Если длина волны находится вне рабочего диапазона, то свет не будет оказывать никакого действия на LDR. Можно сказать, что LDR не чувствителен в этом диапазоне длин волн света.

Различные материалы имеют различные уникальные спектральные кривые отклика волны по сравнению с чувствительностью. Внешне светозависимые резисторы, как правило, предназначены для больших длин волн, с тенденцией в сторону инфракрасного (ИК). При работе в ИК-диапазоне, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать перегрева, который может повлиять на измерения из-за изменения сопротивления фоторезистора от теплового эффекта.

На следующем рисунке показана спектральная характеристика фотопроводящих детекторов, изготовленные из различных материалов.

Чувствительность фоторезистора

Фотрезисторы имеют более низкую чувствительность, чем фотодиоды и фототранзисторы. Фотодиоды и фототранзисторы — полупроводниковые устройства, в которых используется свет для управления потоком электронов и дырок через PN-переход, а фоторезисторы лишеные этого PN-перехода.

Если интенсивность светового потока находится на стабильном уровне, то сопротивление по-прежнему может существенно изменяться вследствие изменения температуры, поскольку LDR также чувствительны и к изменениям температуры. Это качество фоторезистора делает его непригодным для точного измерения интенсивности света.

Инертность фоторезистора

Еще одно интересное свойство фоторезистора заключается в том, что существует инертность (время задержки) между изменениями в освещении и изменением сопротивления.

Для того чтобы сопротивление упало до минимума при полном освещении необходимо около 10 мс времени, и около 1 секунды для того, чтобы сопротивление фоторезистора возросло до максимума после его затемнения.

По этой причине LDR не может использоваться в устройствах, где необходимо учитывать резкие перепады освещения.

Конструкция и свойства фоторезистора

Впервые фотопроводимость была обнаружена у Селена, впоследствии были обнаружены и другие материалы с аналогичными свойствами. Современные фоторезисторы выполнены из сульфида свинца, селенида свинца, антимонида индия, но чаще всего из сульфида кадмия и селенида кадмия. Популярные LDR из сульфида кадмия обозначаются как CDS фоторезистор.

Для изготовления фоторезистора из сульфида кадмия, высокоочищенный порошок сульфида кадмия смешивают с инертными связующими материалами. Затем, эту смесь прессуют и спекают. В вакууме на основание с электродами наносят фоточувствительный слой в виде извилистой дорожки. Затем, основание помещается в стеклянную или пластиковую оболочку, для предотвращения загрязнения фоточувствительного элемента.

Спектральная кривая отклика сульфида кадмия совпадает с человеческим глазом. Длина волны пиковой чувствительности составляет около 560-600 нм, что соответствует видимой части спектра. Следует отметить, что устройства, содержащие свинец или кадмий не соответствуют RoHS и запрещены для использования в странах, которые придерживаются законов RoHS.

Примеры применения фоторезисторов

Фоторезисторы чаще всего используются в качестве датчиков света, когда требуется определить наличие или отсутствие света или зафиксировать интенсивность света. Примерами являются автоматы включения уличного освещения и фотоэкспонометры. В качестве примера использования фоторезистора, приведем схему фотореле для уличного освещения.

Фотореле для уличного освещения

Данная схема фотореле автоматически включает уличное освещение, когда наступает ночь и выключает когда светлеет. На самом деле вы можете использовать данную схему для реализации любого типа автоматического включения ночного освещения.

При освещении фоторезистора (R1), его сопротивление уменьшается, падение напряжения на переменном резисторе R2 будет высоким, вследствие чего транзистор VT1 открывается. Коллектор VT1 (BC107) соединен с базой транзистора VT2 (SL100). Транзистор VT2 закрыт и реле обесточено. Когда наступает ночь, сопротивление LDR увеличивается, напряжение на переменном резисторе R2, падает, транзистор VT1 закрывается. В свою очередь, транзистор VT2 открывается и подает напряжение на реле, которое включает лампу.

Источник