Вивчення роботи фотосопротивлений - студопедія

Прилади й устаткування. випрямляч, вольтметр, мікроамперметр, реостат, опір ФС-К1, освітлювальна система.

Мета роботи: дослідити вольт-амперні та спектральну характеристики фотосопротивления.

Фотопровідника називаються такі напівпровідники, у яких величина електричного опору змінюється при освітленні їх світлом. Відбувається це внаслідок внутрішнього фотоефекту, що полягає в наступному: якщо енергія кванта світла hn перевищує ширину забороненої зони, що поглинув цей квант електрон переходить з валентної зони в зону провідності. В результаті з'являється додаткова пара носіїв струму - електрон і дірка, що проявляється в збільшенні електропровідності речовини. Якщо в речовині є домішки, то під дією світла електрони можуть переходити з валентної зони на рівні домішки або з домішкових рівнів в зону провідності. Кількість які виникають носіїв струму пропорційно падаючого світлового потоку. На відміну від зовнішнього фотоефекту носії струму залишаються в обсязі речовини.

На внутрішньому фотоефекті заснована дія фотосопротивления (ФС). У більшості випадків ФС є (рис. 6.13) нанесений на ізоляційну підкладку 1 (скляну пластинку) тонкий шар з напівпровідникового матеріалу 2, на поверхні якого розташовані електроди, що підводять струм 3. Платівка вмонтована в пластмасовий корпус 4. Електроди розраховані на включення в звичайну радіоламповому панель. Приймальню площа виконують у вигляді квадрата, прямокутника або кола.

Під дією світла на ФС без зовнішньої напруги електрорушійна сила не виникає, а це означає, що фотострум не виникає. ФС має оди-наково провідність в обох напрямках. Фотосопротивления не робить світлову енергію в електричну - вони є тільки світловими реле. При постійному освітленні ФС - це активні опори. Протікає по ним ток пропорційний прикладеній напрузі.

При постійній напрузі, доданому до ФС, величина струму через опір залежить від величини падаючого світлового потоку. Чим більше потік, тим більше буде струм в ланцюзі ФС. Затемнені ФС також пропускають через себе невеликий струм, який залежить від опору в темряві, тобто від темнового опору. Воно може бути від десятків кіло до десятків мегаом, але значно менше, ніж в вакуумних елементах. Опір ФС в темряві завжди більше, ніж при освітленні. У деяких речовинах при переході від темряви до інтенсивного висвітлення величина опору змінюється в десятки і сотні тисяч разів.

При падінні світлового потоку на поверхню ФС його опір зменшується. Таким чином, при будь-прикладеної різниці потенціалів струм, що проходить через ФС, збільшується при зростанні інтенсивності падаючого світлового потоку і може досягати 30 ... 50 мА. Час роботи ФС в нормальному режимі не обмежена. ФС зовсім не боїться «засвітки», тобто вони не мають незворотною втрати чутливості при великих освещенностях. Внаслідок високих фотоелектричних властивостей, простоти звернення, низької вартості, а також невеликого внутрішнього опору і малої робочої площі ФС широко використовують при автоматизації (контроль і управління) виробничих процесів. Значна температурна залежність фотоструму в деяких ФС є перешкодою для їх застосування при великих змінах температури. В даний час створені малоінерційні ФС з малої температурної залежністю і фотострумом, пропорційним світловому потоку.

Основними параметрами ФС є: питома інтегральна і спектральна чутливість, максимальна робоча напруга, відносна зміна опору, постійна часу.

Питома чутливість. Оскільки фототок ФС пропорційний прикладеній напрузі, то чутливість прийнято характеризувати величиною K, вираженої в мікроамперах, віднесеної до одного люмен і одному вольт:

де K - питома чутливість ФС; Di - різниця фотострумів при освітленні і в темряві, мкА; U - прикладена напруга, В; Ф = ES - світловий потік, лм; S - площа світлочутливого шару, мм-2; E - освітленість, лк.

ФС виходить з ладу при доданому напрузі вище деякого Umax. Не можна допускати доведення напруги до цього значення.

Інтегральна чутливість визначається твором питомої чутливості на прикладена напруга:

Максимальна чутливість g досягається при гранично допустимому робочому напрузі Umax.

Спектральна чутливість. Залежно від матеріалу напівпровідника ФС можуть мати різну чутливість до різних довжинах хвиль падаючого світла. Для ФС-К1 і ФС-Б2 максимум чутливості лежить в області видимого світла.

Відносна зміна опору визначається формулою

де Rm і im - відповідно опір і струм в темряві (для даного значення напруги); Rc і ic - опір і струм при освітленні фотосопротивления.

Постійна часу. характеризує інерційність фотосопротивления, вимірюється часом, протягом якого після припинення освітлення фотоструму зменшується в e = 2,7 раз. Приблизно цей процес можна описати експоненціальним законом. При збільшенні освітленості постійна зменшується. У порівнянні з вакуумними фотоелементами ФС мають велику інерційність.

Найбільш важливими характеристиками ФС є вольт-амперні та світлові. Вольт-амперні характеристики висловлюють залежність фотоструму від прикладеної напруги при постійній величині світлового потоку
(E = const), зазвичай отримують вольтамперні характеристики в темряві і при різних світлових потоках. З вольтамперних характеристик слід, що, по-перше, ФС є лінійним опором, яке підпорядковується закону Ома, по-друге, відносна зміна опору при даній освітленості не залежить від прикладеної різниці потенціалів. Але величина фотоструму і відносна зміна опору залежать від освітленості.

Якщо ФС затемнений, то струм im, пропорційний прикладеній напрузі, називається темновим і визначається величиною темнового електричного опору даного ФС. Для різних типів ФС темнової опір лежить в інтервалі від 10 4 до 10 17 Ом.

При падінні світлового потоку на поверхню ФС струм зростає до максимального значення, що залежить від освітленості і напруги.
Вольт-амперна характеристика показує основна відмінність ФС від фотоелементів із зовнішнім фотоефектом, яке полягає в тому, що фотострум ФС не має насичення, і, отже, їх чутливість пропорційна прикладеній напрузі.

Світлові характеристики, як і вольт-амперні, показують інше відміну ФС від вакуумних фотоелементів, яке полягає у відсутності в ФС прямий пропорційності між фотострумом і освітленістю. При збільшенні E фототок прагне до насичення.

З світловий характеристики можна визначити інтегральну чутливість ФС як величину фотоструму, віднесену до величини світлового потоку, при максимальному робочому напрузі, прикладеного до ФС.

Спектральні характеристики ФС висловлюють залежність фотоструму, що припадає на одиницю падаючої енергії (спектральної чутливості), від довжини світлової хвилі.

ФС є єдиним приладом, спектральна чутливість якого змінюється від інфрачервоної області спектра до g-випромінювання.