Використання напівпровідникових мікроприладів як сенсорів освітлення

Мета роботи.Вивчення принципу роботи напівпровідникових мікроелектронних приладів (фотодіоду і фоторезистору) як сенсорів освітлення. Дослідження залежностей робочих характеристик приладів від інтенсивності світла і визначення чутливості сенсорів.

Елементи теорії.Фоторезистор – це напівпровідниковий резистор, опір якого залежить від освітлення. Існують різні види поглинання світла. При поглинання напівпровідником квантів світла – фотонів їх енергія передається електронам в валентній зоні, які під дією цієї енергії можуть переходити в зону провідності. Значить енергія квантів іде на іонізацію атомів. Чим більше квантів світла падає на напівпровідник, тим більша кількість електронів переходить з валентної зони в зону провідності, а значить провідність напівпровідника зростає.

Основним елементом фоторезистора є напівпровідниковий світлочутливий шар напівпровідника, який може бути виконаний у вигляді монокристалічної або полікристалічної пластини напівпровідника або у вигляді полікристалічної плівки, яка нанесена на діелектричну підкладку. В якості напівпровідникового матеріалу для фоторезисторів найчастіше використовують сульфід кадмію, селенід кадмію або сульфід свинцю. На поверхню світлочутливого шару наносять металеві електроди. Іноді електроди наносять безпосередньо на діелектричну підкладку перед осадженням напівпровідникового шару.

Поверхню напівпровідникового світлочутливого шару, що розташований між електродами, називають робочою площадкою. Фоторезистори виготовляють з робочими площадками у вигляді прямокутників, міандра та кільця. Площа робочих площадок різних фоторезисторів найчастіше складає від десятих частин до десятків квадратних міліметрів.

Пластину з нанесеним на неї напівпровідниковим світлочутливим шаром або пластину напівпровідника розміщують в пластмасовий чи металевий корпус. Навпроти робочої площадки роблять вікно з прозорого матеріалу.

В залежності від призначення фоторезистори можуть бути одно- та багатоелементними, з охолодженням та без, відкриті та герметичні, виконані у вигляді окремих елементів або в складі інтегральних схем. Для розширення функцій їх доповнюють фільтрами, лінзами, підсилювачами, системами охолодження та ін. На рис.1, для прикладу, наведено конструкцію фоторезистора, що охолоджується.

Рисунок 1. - Фоторезистор, що охолоджується: 1 – вхідне вікно; 2 – фоточутливий елемент; 3 – контактна колодка; 4 – підсилювач; 5 – теплохід; 6 – електричні виводи; 7 – основа; 8 – терморезистор; 9 – термоелектричний охолоджувач

Вольт-амперні характеристики фоторезистора представляють собою залежність струму через фоторезистор (фотострум) від прикладеної напруги, при постійній освітленості. Розрізняють два струми: світловий (при освітленні фоторезистора) і темновий (в темряві). В робочому діапазоні напруг вольт-амперні характеристики фоторезисторів при різних значеннях світлового потоку практично лінійні. Але у більшості плівкових фоторезисторів лінійність вольт-амперної характеристики порушується при малих напругах. Ця нелінійність пов’язана з контактними явищами між окремими зернами або кристалами напівпровідника.

Світлова або люкс-амперна характеристика фоторезистора представляє собою залежність фотоструму I_ф=I_св-I_тем від освітленості. Фоторезистори мають сублінійну світлову характеристику.

Спектральна характеристика фоторезистора – це залежність фотоструму від довжини хвилі падаючого світла на робочу площадку фоторезистора. Тому при виготовленні фоторезисторів враховується довжина хвилі, при якій буде працювати фоторезистор. Наприклад інфрачервоні фоторезистори мають найбільшу чутливість при інфрачервоному освітленні, ніж при звичайному.

Постійна часу – це швидкість зміні опору фоторезистора, при зміні освітленості – інерція.

Для визначення швидкості спочатку фоторезистор на деякий час розміщують під джерелом світла, потім повністю затемнюють фоторезистор і вимірюють час за який фоторезистор відновить свій опір на 63% (в е раз).

Звичайні фоторезистори звичайно мають порівняно велику інерцію, і тому фоторезистори можуть сприймати світлові імпульси з частотою декілька кілогерц.

Темновий опір – це опір фоторезистора при відсутності світла. Темновий опір прийнято вимірювати через 30 секунд після затемнення фоторезистора.

Питома чутливість – це відношення фотоструму до світлового потоку і прикладеної напруги:

Чутливість називають інтегральною, тому, що її вимірюють при освітленні фоторезистора світлом складного спектрального складу. Питомі інтегральні чутливості різних фоторезисторів від 1 до 600 мА/(В×лм).

Фотодіод – фотогальванічний приймач випромінювання без внутрішнього підсилення, фоточутливий елемент якого містить структуру напівпровідникового діода. Фотодіод поєднує у собі переваги напівпровідникових приладів (малі маса і розміри, великий термін служби, низькі живлячі напруги, економічність) з більш високою чутливістю в порівнянні з електровакуумними фотоелементами і фоторезисторами.

Будова фотодіода аналогічна будові звичайного площинного напівпровідникового діода. Фотодіод виконаний так, що його р-n перехід одною стороною звернений до скляного вікна, через яке поступає світло, і захищений від впливів світла з інших боків.

Напруга джерела живлення прикладена до фотодіода в зворотному напрямку. Коли фотодіод не освітлено, в колі проходить зворотній (темновий) струм невеликої величини (10 – 20 мкА для германієвих і 1 – 2 мкА для кремнієвих діодів).

При освітленні фотодіода з'являється додаткове число електронів і дірок, внаслідок чого збільшується перехід неосновних носіїв заряду: електронів з р-області в n-область і дірок у зворотному напрямку. Це приводить до збільшення струму в ланцюзі. При правильно підібраному опорі навантаження Rн і напрузі джерела живлення цей струм буде залежати тільки від освітленості приладу, а спадання напруги на опорі можна розглядати як корисний сигнал, що впливає на інші елементи схеми.

Слід зазначити, що фотодіод можна включати в схеми як із зовнішнім джерелом живлення, так і без нього. Режим роботи фотодіода з зовнішнім джерелом живлення називають фотодіодним, а без зовнішнього джерела – вентильним.

У вентильному режимі в фотодіоді під дією світлового потоку виникає е.р.с., тому він не має потреби у зовнішньому джерелі напруги.

Розглянемо основні характеристики фотодіодів.

Вольт-амперна характеристика І_д = f(U_д) при Ф=const визначає залежність струму фотодіода від напруги на ньому при постійній величині світлового потоку. При повному затемненні через фотодіод протікає темновий струм, дорівнює сумі зворотного струму насичення р-n переходу і струму витоку. З ростом світлового потоку І_д збільшується. Характерною рисою робочої області вольт-амперних характеристик є практично повна незалежність струму фотодіода від прикладеної напруги. Такий режим настає при зворотних, напругах на діоді порядку 1 В. Оскільки темновий струм малий, то відношення струму при освітленні до темнового струму велике, що дуже важливо при індикації освітлення. Якщо зворотна напруга перевищить деяке припустиме значення, то в р-n переході виникає ефект лавиноподібного розмноження носіїв заряду, що може привести до виходу фотодіода з ладу.

Спектральна характеристика показує залежність спектральної чутливості від довжини хвилі падаючого на фотодіод світла.

Методичні вказівки.

Оскільки залежності опору фоторезистора і струму чи напруги короткозамкненого фотодіоду від освітленості мають характер близький до лінійного, то цими приладами користуються як сенсорами освітленості.

В лабораторній роботі для визначення відносної інтенсивності світла використовують лабораторний стенд, що зображений на рисунку 2.

Рисунок 2. – Схема лабораторного стенду: 1 – джерело світла (лазер, лампа накалювання, природне освітлення); 2 – напівпрозоре дзеркало; 3 – сенсор (фоторезистор, фотодіод); 4 – мультиметр

Відносну чутливість сенсору визначаємо за формулою:

,

де Y – вихідна величина, І – інтенсивність світла.

Поиск по сайту: