Презентация "Основы электроники. Фоторезисторы и фотодиоды."

Слайд #1

Фоторезисторы и фотодиоды

Слайд #2

Фоторезисторы
Полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется в широких пределах в зависимости от интенсивности и спектрального состава воздействующего на него светового потока, называют фоторезистором (ФР).

Слайд #3

Фоторезисторы
Светочувствительным элементом ФР служит слой полупроводникового материала 1, напылённого на подложку 2 из стекла, слюды или керамики. По краям полупроводникового слоя располагают металлические контакты 3, соединённые с внешними выводами.

Слайд #4

Фоторезисторы
Светочувствительными материалами для ФР служат полупроводниковые соединения кадмия. Могут быть и ФР на основе германия и кремния с примесями золота, цинка и других элементов.

Слайд #5

Фоторезисторы
Характеристики фоторезистора:
а — вольт-амперные; б — световые

Слайд #6

Фоторезисторы
Вольт-амперная характеристика Iφ(U)
при Ф = const у фоторезистора линейна. Полярность напряжения на характеристику не влияет. При Ф = 0 наклон вольт-амперной характеристики зависит от темнового сопротивления Rт. С увеличением светового потока крутизна вольт-амперной характеристики растёт, а сопротивление уменьшается в 𝟏𝟎 𝟓 — 𝟏𝟎 𝟔 раз.

Слайд #7

Фоторезисторы
Световая характеристика Iφ(Ф)
при U = const линейна лишь в области небольших значений потока Ф. С увеличением Ф возрастает концентрация свободных носителей и вероятность их рекомбинации, подвижность носителей снижается и поэтому рост тока уменьшается.

Слайд #8

Фоторезисторы
Ток фоторезистора

Iφ = k Ф 𝟏/𝟐 + Iт ,

где k — коэффициент; Iт — темновой ток, обусловленный наличием в полупроводнике при световом потоке
Ф = 0 свободных носителей заряда.

Слайд #9

Фоторезисторы
Свойства ФР, как и любого другого полупроводникового фотоприёмника, характеризуют параметры чувствительности, а также электрические и временные параметры. Основной параметр чувствительности фотоприёмника — интегральный коэффициент чувствительности мА/лм:
Kφ = Iφ / Φ.

Слайд #10

Фоторезисторы
Однако ток ФР зависит от приложенного напряжения U, поэтому свойство ФР оценивают удельной интегральной чувствительностью, отнесённой к 1 В, мА/ (В.лм):

Kинт.уд = Iφ / (ΦU ) = Kφ /U

Слайд #11

Фоторезисторы
Основные электрические параметры ФР:
- рабочее напряжение Uр, которое составляет от нескольких десятков до нескольких сотен вольт;
- темновой ток Iт,
- фототок Iφ, протекающий через ФР при указанном напряжении и обусловленный только воздействием потока излучения заданного спектра;

Слайд #12

Фоторезисторы
общий ток
Iобщ = Iφ + Iт;

темновое сопротивление Rт ≈ 105 ÷ 107 Ом.

Слайд #13

Фоторезисторы
Основной параметр временных характеристик ФР — граничная частота fгр синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при которой чувствительность прибора падает до значения 1/ 𝟐 по сравнению с чувствительностью при немодулированном излучении fгр мало и составляет 𝟏𝟎 𝟐 — 𝟏𝟎 𝟒 Гц. Это обусловлено значительным временем жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике.
С увеличением температуры и освещённости инерционность уменьшается.

Слайд #14

Фоторезисторы
К максимально допустимым параметрам ФР относят:
— Umax — максимальное рабочее напряжение ФР, при котором отклонение его параметров не превышает указанных пределов,
— максимальную мощность рассеяния Pmax. С ростом температуры окружающей среды Pmax снижается.

Слайд #15

Фоторезисторы
Спектральная характеристика содержит информацию о том, к каким длинам волн (цвету) светового потока наиболее чувствителен фоторезистор. Для некоторых экземпляров приходится тщательно подбирать излучатель света соответствующей длины волны, для достижения наибольшей чувствительности и эффективности работы.

Слайд #16

Фоторезисторы
Фоторезистор не предназначен для точного измерения освещенности, а, скорее, для определения наличия света, по его показаниям можно определить светлее или темнее стала окружающая среда.

Слайд #17

Фоторезисторы
ФР свойственно старение — постепенное уменьшение сопротивления, изменение фототока и чувствительности в течение нескольких сотен часов эксплуатации.

https://www.youtube.com/watch?v=KV65kh0g5J0

Слайд #18

Фотодиоды
Двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, вольт-амперная характеристика которого зависит от воздействующего на него светового потока, называют фотодиодом (ФД).

Он представляет собой пластину полупроводникового материала (германия или кремния) с областями электронной и дырочной проводимости, разделёнными p-n переходом.

Слайд #19

Фотодиоды

Слайд #20

Фотодиоды
Если на фоторезисторе изменялась проводимость из-за движения носителей заряда в полупроводнике, то здесь происходит образование заряда на границе p-n перехода.
ФД может работать в режиме фотопреобразователя и фотогенератора.

Слайд #21

Фотодиоды
В зависимости от конструкции ФД световой поток направлен параллельно и перпендикулярно плоскости p-n перехода.
ФД включают в обратном направлении.
Если нет освещения (Ф = 0), ФД аналогичен обычному диоду, включённому в обратном направлении.
При освещении прибора (Ф > 0) в его p и n областях начинается разрыв ковалентных связей и образование пар носителей заряда — электронов и дырок.

Слайд #22

Фотодиоды
Характеристики фотодиода:
а — вольт-амперные; б — световые

Слайд #23

Фотодиоды
Чем сильнее световой поток, тем выше концентрации неосновных носителей вблизи перехода и тем больше ток.

Слайд #24

Фотодиоды
Световая характеристика I (Ф) при U = const линейна в достаточно широком интервале светового потока. Это выгодно отличает ФД от фоторезистора. В случае увеличения обратного напряжения расширяется p-n переход и уменьшаются объёмы p-n областей, меньшая часть неосновных носителей успевает в них рекомбинировать, в результате этого фототок ФД возрастает.

Слайд #25

Фотодиоды
В режиме фотопреобразователя ФД работает как ключ управляемый светом, для этого его подключают в цепь в прямом смещении. То есть, катодом к точке с более положительным потенциалом (к плюсу), а анодом к более отрицательному (к минусу).

Слайд #26

Фотодиоды
Когда диод не освещается светом – в цепи протекает только обратный темновой ток Iобрт (единицы и десятки мкА), а когда диод освещен к нему добавляется фототок, который зависит только от степени освещенности (десятки мА). Чем больше света – тем больше ток.

Слайд #27

Фотодиоды
Другой режим – генератор. При попадании света на фотодиод на его выводах образуется напряжение, при этом токи короткого замыкания в таком режиме равняются десятки ампер. Это напоминает работу элементов солнечной батареи, но имеют малую мощность.

Слайд #28

Фотодиоды
https://frontend.vh.yandex.ru/player/14121699782858586412