1 Теория метода и описание установки

Область применения каждого типа фоторезистора определяется его свойствами и параметрами: вольт-амперной и световой характеристикой, чувствительностью, отношением темнового сопротивления R_T к световому R_с, постоянной времени τ, температурной зависи­мостью фототока (температурным коэффициентом тока), рабочим напряжением и др.

Если фоторезистор включен в электрическую цепь последова­тельно с источником напряжения (рисунок 1.1), то в темноте через него будет течь темновой ток I_т, при освещении же его поверхности в цепи будет течь световой ток I_с.

Рисунок 1.1 – Принципиальная схема для измерения параметров и снятия характеристик фоторезисторов

Вольт-амперной характеристикой фоторезистора называется зависимость тока (темнового светового фототока) I от прило­женного к фоторезистору напряжения U при неизменной величине светового потока, падающего на фоторезисторы. Для большинства фоторезисторов эта зависимость имеет вид:

I = CU (1)

где С — коэффициент пропорциональности, зависящий от ти­па фоторезистора и интенсивнос­ти света.

При изучении вольт-ампер­ных характеристик фоторезис­торов обычно получают вольт-амперные характеристики в тем­ноте и при различных освещенностях поверхности светочувст­вительного слоя фоторезистора, снимая их одновременно (рисунок 1.1). Для этого при затемненном фоторезисторе измеряют темновой ток, а при освеще­нии — световой. При изме­нении напряжения, приложенного к фоторезистору, от нуля до номинального значения для данной освещенности Е через каждые 1 - 3 В находят зависимость: I_ф = f(U)_{Е = const} .

Вольт-амперные характеристики у большинства фоторезисторов имеют линейный характер, т. е. в широкой области изменения на­пряжения выполняется закон Ома, а фоторезисторы в области сла­бых электрических полей являются омическими сопротивлениями. У некоторых фоторезисторов в области малых или больших напря­жений, приложенных к ним, наблюдаются отклонения от линейности.

Световой (люкс-амперной) характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от интенсивности освещения (све­тового потока или освещенности) при неизменном напряжении, при­ложенном к фоторезистору.

На практике люкс-амперные характеристики преимущественно приводятся в виде зависимости не фототока, а светового тока или сопротивления от освещенности.

Зависимость фототока I_ф фоторезисторов от освещенности определяется зависимостью фотопроводимости от интенсивности света и в общем случае имеет нелинейный характер:

I_ф = С₁Ф^αU = С₁US^αE^α (2)

где C₁ — коэффициент пропорциональности, U — приложенное на­пряжение, Ф — световой поток; α — показатель степени, значение которого 1, >1, <1; S — площадь фоторезистора; Е — освещен­ность.

Для снятия световой характеристики фоторезистора используют схему изображённую на рисунке 1.1. Устанавливают напряжение U (в пределах допусти­мых значений) и, изменяя расстояние между фоторезистором и ис­точником света, измеряют каждый раз люксметром освещенность Е и микроамперметром ток темновой I_т и световой I_с.

Снимают зависимость I_ф = f(E)_{U = const} и выражают графиче­ски в одной системе координат при различных приложенных на­пряжениях в пределах допустимых значений.

Интегральной чувствительностью К_и называется отношение фототока, который течет в цепи фоторезистора при рабочем напряже­нии, к падающему на светочувствительный элемент световому потоку от лампы накаливания, вольфрамовая нить которой накалена до цветовой температуры Т=2848 К

К_и = I_ф / Ф (3)

Удельной интегральной чувствительностью фоторезистора К_у называется отношение фототока к величине падающего светового потока и к величине приложенного напряжения

К_у = I_ф / ФU (4)

Спектральной чувствительностью К_λ называется отношение фото­тока I_фλ при длине волны λ к падающему на светочувствительный элемент потоку монохроматического излучения Ф_λ в узком интер­вале длин волн λ, λ+dλ

К_λ = I_фλ / Фλ (5)

Спектральная чувствительность в отличие от интегральной зависит от длины волны падающего света и выражается зависимостью K_λ = f (λ) или I_фλ =f(λ), называемой спектральной характери­стикой.

Чувствительности фоторезисторов K_и и K_у находятся расчет­ным путем по данным, полученным при снятии вольт-амперных и све­товых характеристик. Зная площадь светочувствительной площадки фоторезистора S (в м²), освещенность Е (в лк) и приложенное на­пряжение U (в В), вычисляют для видимой части спектра величину лучистого потока (Ф = ЕS) и чувствительности K_и и K_у по формулам (3) и (4). Для видимой части спектра чувствительности K_и и K_у имеют размерности:

[K_и] = [мкА/л м] [K_у] = [мкА/л м*В]

Во многих случаях практического использования фоторе­зисторов большое значение придается кратности изменения сопро­тивления фоторезистора R_c / R_т при освещении:

R_c / R_т = I_т / I_c (6)

и относительному изменению сопротивления:

(7)

Для рабочего напряжения U_р и освещенности Е находят темновой и световой токи, а затем вычисляют кратность изменения сопротивления. Темновое сопротивление фоторезистора R_т и сопротив­ление его при освещении R_с рассчитывают по закону Ома

R_т = U_р / I_т (8)

R_с = U_р / I_с (9)

Постоянная времени спада фототока τ (релаксационное время жизни носителей заряда) — время, в течение которого фототок уменьшается в е раз (на 63%) после прекращения освещения фоторезистора. Она характеризует инерционность фото­резистора, связанную со временем жизни избыточного носителя заряда.

Если освещать фоторезистор короткими прямоугольными импульсами света с малой частотой следования (длительности свето­вого импульса и темнового промежутка равны), то за время освещения образца будет успевать устанавливаться стационарное значение падения напряжения на фоторезисторе U_ст и тока фотопроводимости I_ф, а за время темноты фотопроводимость успевать уменьшаться до нуля. Фо­тоток I_ф в цепи фоторезистора обуслов­ленный уменьшением неравновесной концентрации при затемнении, приближенно можно считать изменяющимся по закону:

(10)

Для определения величины τ методом затухания фотопроводи­мости (рисунок 1.2) исследуемый полупроводниковый образец или фото­резистор помещают на подставку из изоляционного материала и изолируют от постороннего воздейст­вия света.

Рисунок 1.2 – Принципиальная схема определения постоянной времени τ методом затухания фотопроводимости

Торцевые контакты образца тщательно защи­щают от действия света во из­бежание возникновения контак­тных фото э. д. с. На исследуемый полупроводниковый обра­зец или фоторезистор подают определенное напряжение (в зависимости от образца или типа фоторезистора) через нагрузочное сопротивле­ние R_н.

Освещая образец прямоугольными импульсами света, на­блюдают на осциллографе экспоненциальное изменение (уменьшение) напряжения со временем затемнения на последовательно включенном с фоторезистором сопротивлении R_н. Включив мет­ки времени на осциллографе, измеряют время t_l в течение которого напряжение, пропор­циональное фототоку I, уменьшается в два раза. Падение напряже­ния U_н на сопротивлении R_н при затемнении изменяется приближенно по закону:

(11)

Если U_ст /U_н = 2 (уменьшилось в два раза), то релаксационное время жизни:

(12)

где t_l — время, соответствующее уменьшению напряжения на сопротивлении R_н в два раза.

В связи с тем что скорость нарастания тока при освещении фоторезистора несколько отличается от скорости спадания его при затемнении, различают постоянную времени нарастания τ_н и спадания τ_сп.

Для определения τ_н и τ_сп подают на фоторезистор рабочее на­пряжение и освещают его прямоугольными импульсами света, получают на экране осциллографа устойчивую кривую нарастания и спадания фототока во времени. Включив метки време­ни на осциллографе, определяют значения τ_н и τ_сп путем подсчета числа калибровочных меток вре­мени на участках нарастания и спадания фототока до требуемого уровня 63% от установившегося значения тока.

У всех фоторезисторов постоянные времени по нарастанию и спаданию не равны. В большинстве случаев значение τ_н превышает величину τ_сп при определенном сопротивлении R_н. Постоянные времени τ_н и τ_сп зависят от материала фоторезистора, освещен­ности Е, сопротивления R_н, величины приложенного напряжения, окружающей температуры и характера освещения (частичное или полное освещение светочувствительного слоя).

Температурная зависимость параметров фоторезисторов определяется влиянием температуры на фоточувствительность полупроводников. В связи с тем, что чувствительность фоторезисторов определяется фототоком, температурная зависимость ее по характе­ру будет повторять зависимость фототока от температуры, так как в выражениях (3) и (4) для определения чувствительности из всех сомножителей только фототок зависит от температуры. Поэтому на практике под температурной зависимостью фоторезисторов под­разумевают влияние температуры на фототок или световой ток. Количественно влияние температуры на фототок принято оценивать температурным коэффициентом ТК, представляющим собой относительное изменение фототока на 1 К.

(13)

где I_ф1, I_ф2 — фототоки в цепи с фоторезистором при температурах соответственно T₁ и Т₂.

Обычно ТК находят при освещенности Е = 200 лк. При других световых потоках температурный коэффициент может быть иным. Фототок фоторезистора с ростом температуры уменьшается. Для исследования температурной зависимости фототока используется схема изображённая на рисунке 1.1. Фоторезистор помещают в термостат, на него подают рабочее напряжение и освещение Е = 200 лк. Измеряют величины темнового и светового токов при различных температурах (в интервале рабочих температур) и нахо­дят значения фототоков через каждые 10 К. при нагревании и осты­вании фоторезистора (термостата). Температурный коэффициент оп­ределяют по формуле (13).