3 Фоторезисторы

Фоторезисторы - это полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под воздействием лучистой энергии.

Конструктивно фоторезистор представляет собой слой полупроводника, нанесенного на стеклянную пластинку с токопроводящими контактами, помещенную в корпус и защищенную от влияния внешней среды (рисунок 2.4).

1 - слой полупроводника; 2 - подложка; 3 - контакты Рисунок 2.4 - Полупроводниковый фоторезистор:

В качестве материалов для изготовления фоторезисторов используются кадмий, сернистое соединение висмута и другие полупроводники с электронной или дырочной проводимостью. Фоторезистор может включаться в цепь источника питания любой полярности последовательно с нагрузочным сопротивлением (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 - Схема включения фоторезистора в электрическую цепь

Если световой поток не освещает мишень фоторезистора, то сопротивление фоторезистора максимально и равно RT.

RT- темневое сопротивление резистора. В цепи протекает минимальный токlT(темневой).

При освещении фоторезистора световым потоком Фего проводимость меняется. Сопротивление фоторезистора уменьшается до значения, равногоRo.

Фототок через резистор определяется разностью токов светового тока I_Си темневогоIт.

iф =Ic - IT .

- это разность

Кратность изменения сопротивлений

между темневым и световым сопротивлением, отнесенная к величине темневого сопротивления. Эта величина является одним из параметров фоторезистора.

При освещении фотосопротивления его фототок можно представить следующим выражением:

где Δy- изменение проводимости при освещении образца;

U -напряжение на фотосопротивлении (В);

Р -мощность излучения (Вт);

F_p -абсолютная токовая чувствительность (А/Вт).

Фототок через фотосопротивление также зависит от геометрических и структурных параметров образца.

Интегральная чувствительность фотосопротивления определяется следующей зависимостью:

Чувствительность фотосопротивления зависит от величины приложенного к сопротивлению напряжения.

Для исключительного влияния напряжения питания при оценке различных фотосопротивлений используется удельная чувствительность:

Спектральные характеристики фоторезисторов показаны на рисунке

2.6.

Световые характеристики фоторезистора не линейны (рисунок 2.7). Вольтамперные характеристики линейны в пределах допустимой мощности рассеяния (рисунок 2.8).

Фоторезисторы при малых габаритах имеют большую

чувствительность и длительный срок службы. Поэтому они применяются в устройствах сигнализации, автоматики. К недостаткам фоторезисторов можно отнести сравнительно большой темневой ток (Lт), нелинейность световых характеристик, инерционную и температурную зависимость. На работу фотосопротивления оказывает влияние влажность, поэтому сопротивления герметизируют.

Схема измерительной установки представлена на рисунке 2.10.

В оптическую систему входит осветитель с конденсатором, объектив с диафрагмой («Индустар 50»), фотодиод ФД-3, светофильтр,

Освещенность образцов регулируется с помощью изменения расстояния между фотоприемником и источником света и диафрагмой объектива.

Световой поток Ф падает на мишень фотоприемника перпендикулярно, и его можно определить с помощью следующей зависимости:

где S - активная площадь фотоприбора, м²;

1. - сила света лампы накаливания, кД;

L - расстояние между нитью лампы и окном фотоприбора, м;

Уровень напряжения на осветителе и фотоприборе регулируется источником питания.

Рисунок 2.9 - Схема прибора для снятия характеристик фотодиодов

Таблица 2.1 - Результаты измерений

№ п/п	RH, кОм	Is, мкА	Uн, мВ	Примечание
1	1,0
2	2,0
3	3,0
4	4,0
5	5,0
6	6,0
7	7,0
8	8,0
9	9,0
10	10,0

Рисунок 2.10 - Схема измерительной установки с блок-схемой:

1 - осветитель; 2 - объектив; 3 - фотодиод; 4 - фильтр: 5 - штатив.

1. Снять вольтамперные характеристики фотодиода: темневую и при световых потоках (10^-2...4*10^-2лм).

2. Снять люксамперную характеристику фотодиода в фотодиодном режиме приU_обр=2...8 B.

3. Снять люксамперную характеристику фотодиода в вентильном режиме короткого замыкания (КЗ) if =f(Ф)и люксвольтовую характеристику в режиме холостого хода (х.х.)ϕ_в=f(Ф). Для одного значенияФпо формуле рассчитатьϕ_в

при известном токе if.Сравнить расчетное и измерительное значениеϕв.

4. Построить зависимости Is=f (Uн), Uн = f (Rн), Is = f (Rн).

5. Снять вольтамперные характеристики фоторезистора при двух световых потоках (10^-2...4*10^-2лм). Определить величину

соотношения Rт /Rо ,

где Rт- сопротивление фоторезистора темневое;

Ro- сопротивление фоторезистора при освещении потоком Ф.

6. Снять вольтамперную характеристику фоторезистора /_R=f(U_R)при светопотокахФ₁иФ₂.

7. Поместив в образец светозащитной пленки между осветителем и фотоприемником, определить фототок г при наличиипленки и без нее при постоянном потокеФ.

8. Определить относительную светопроницаемость защитной пленки в процентах.

Приложение

Лабораторная работа №3

Датчики для измерения температур

1. Измерение температур

Измерение температур в диапазоне от -200 до 1000°С можно осуществить термопарами или терморезисторами.

Термопары относятся к преобразователям генераторного типа, терморезисторы - к преобразователям параметрического типа.

Действие преобразователей, термосопротивлений основано на свойстве металлов или полупроводников увеличивать или уменьшать свое электрическое сопротивление при изменении их температуры. Чувствительный элемент термометра сопротивления представляет собой тонкую проволоку, намотанную на жесткий каркас из изоляционного материала, или слой полупроводника, нанесенный на жесткую подложку. Так как длина чувствительного элемента термометра сопротивления составляет несколько десятков миллиметров, то термометр сопротивления измеряет некоторую среднюю температуру слоев среды вобласти расположения чувствительного элемента. Полупроводниковые термосопротивления имеют малые габариты и, следовательно, незначительную тепловую инерцию. Термопары сопротивления обладают:

1. высокой точностью измерения температуры;

2. возможностью установки термометра сопротивления на большом расстоянии от места измерения температуры;

3. термометры сопротивления позволяют автоматизировать процесс измерения;

4. термометры сопротивления могут использоваться в системах автоматического регулирования температуры;

5. полупроводниковые термосопротивления обладают высокой чувствительностью к измеряемой температуре, но характеристики их, как правило, не линейны.

2. Материалы, применяемые для изготовления термометров сопротивления

Для изготовления термометров сопротивления должны использоваться материалы, которые удовлетворяют ряду требований:

1. Большой температурный коэффициент сопротивления α.

Изменение электрического сопротивления любого вещества под действием температуры характеризуется температурным коэффициентом сопротивления α,который определяется следующим выражением:

Среднее значение коэффициента αдля большинства чистых металлов в диапазоне температур от 0 до 100°С примерно равно 4*10^-3град^-1. Для железа (Fe) и никеля (Ni) коэффициентαв среднем равен 6 - 35*10^-3град'¹.

2. Характеристики зависимости сопротивления металла от температуры представлены на рисунке 3.1.

3. Большое удельное сопротивление.

4. Постоянство физических и химических свойств металла или полупроводника.

Р - относительное сопротивление

Рисунок 3.1 - Зависимость электрического сопротивления металлов от температуры

Для изготовления термометров сопротивления используются

следующие металлы и полупроводники:

• металлы: платина, медь, никель, железо;

• полупроводники: кремний, германий, арсенид галлия.

Платина (Pt) в окислительной среде химически инертна. В восстановительной среде при высоких температурах возможно загрязнение платины окисью углерода и парами металлов. Температурный коэффициент сопротивления платины α≈3,9*10^-3 град ^-1, удельное сопротивление

Зависимость сопротивления платины от температуры в диапазоне от - 40 до 630 °С выражается уравнением:

R_t =R_o(1 + At + Bt²),

где Ro - сопротивление терморезистора при 0°С;

R_t - сопротивление терморезистора при t °С;

А и В - константы термометра при градуировке.

Платина применяется для изготовления технических термометров и термометров, предназначенных для метрологических работ.

Медь (Си) более дешевый металл, чем платина с температурным коэффициентом α ≈ 4,25*10 ^-3 град ^-1. Медь имеет линейную характеристику сопротивления от температуры в диапазоне от -50 до 200°С.

Rt =Ro(1 + αt)

.

Недостатком меди является малое удельное сопротивление

и легкая окисляемость.

Никель (Ni) и железо (Fe) обладают высокими температурными коэффициентами сопротивления α ≈ 6,28 *10 ^-5 град ^-1

αNi ≈ 6,28 *10 ^-5 град ^-1 и αFe ≈ 6,4 *10 ^-5 град ^-1 Никель и железо имеют довольно высокое удельное сопротивление

Использование никеля и железа для изготовления термосопротивлений ограничено из-за существенных недостатков этих материалов. Получение никеля и железа в чистом виде представляет определенные трудности. Зависимость сопротивления этих материалов от температуры не может быть представлена в виде простых эмпирических выражений. Никель и особенно железо легко окисляются.

На рисунке 3.2 представлена конструкция проволочного термометра сопротивления.

1 - чувствительный элемент, 2 - каркас, 3 - корпус, 4 - выводы.

Рисунок 3.2 - Конструкция термометра сопротивления

В качестве каркасов для изготовления терморезисторов используется: слюда, плавленый кварц, фарфор и иногда стекло.

В измерительные схемы термосопротивления могут включаться последовательно с нагрузочным сопротивлением (рисунок 3.3). Протекание тока по термосопротивлению и нагрузке вызывает падение напряжения на последнем, что позволяет измерить температуру.

Измерение сопротивления терморезистора может производиться компенсационным методом, применением мостовых схем и с помощью логометров (рисунок 3.4).

с) метод логометра Рисунок 3.4 - Измерение сопротивления терморезистора