Характеристики полупроводников

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

Если фоторезистор включен в электрическую цепь последовательно с источником напряжения (рис. 3.8), то в темноте через него будет течь темновой ток , при освещении же его поверхности в цепи будет течь световой ток . Разность между установившимся световым током  и темновым током  называется фототоком .

1. Вольт-амперной характеристикой фоторезистора называется зависимость темнового тока, светового тока и фототока от приложенного к фоторезистору напряжения при неизменной величине светового потока, падающего на фоторезистор. Для большинства фоторезисторов эта зависимость имеет вид:

                                                       ,                                                (41)

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 различной освещенности поверхности светочувствительного слоя фоторезистора. Для этого при затемненном фоторезисторе ( ) измеряют темновой ток, а при освещении — световой. Затем находят фототок:

.

При изменении напряжения, приложенного к фоторезистору, от нуля до номинального значения для данной освещенности Е через каждые 1 — 5 В находят зависимости: ,  при Е = const. Эти зависимости строят на одном графике. 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 обычными сопротивлениями. У некоторых фоторезисторов в области малых или больших напряжений, приложенных к ним, наблюдаются отклонения от линейности.

2. 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 фоторезисторов от освещенности определяется зависимостью фотопроводимости от интенсивности света (см. формулу (39)) и в общем случае имеет нелинейный характер:

                                           ,                                    (42)

где  — коэффициент пропорциональности, U — приложенное напряжение, — световой поток,  — показатель степени (значения показателя 1, > 1, < 1), S — площадь фоторезистора, Е — освещенность.

Для снятия световой характеристики фоторезистора используют схему, приведенную на рисунке 3.8. Устанавливают напряжение U (в пределах допустимых значений) и, изменяя освещенность фоторезистора, измеряют каждый раз люксметром освещенность Е, а микроамперметром токи  и . Вычисляют ток .

Снимают зависимость  и строят графики в одной системе координат при разных приложенных напряжениях в пределах допустимых значений.

3. Интегральной чувствительностью 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 температуры Т= 2848 К:

                                                      .                                                (43)

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

                                                     .                                               (44)

Спектральная чувствительность — это отношение фототока  при длине волны  к падающему на светочувствительный элемент потоку монохроматического излучения  в узком интервале длин волн , :

                                                      .                                               (45)

Спектральная чувствительность, в отличие от интегральной, зависит от длины волны падающего света и выражается зависимостью  или , которая называется спектральной характеристикой.

Чувствительности фоторезисторов  и  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 светового потока ( ) и чувствительности  и  по формулам (43) и (44). Для видимой части спектра чувствительности  и  имеют размерности:

, .

Для вычисления  необходимо знать распределение энергии по спектру излучения . Размерность:

.

4. Во многих случаях практического использования фоторезисторов большое значение придается кратности изменения сопротивления фоторезистора при освещении:

                                                                                                       (46)

и относительному изменению сопротивления

                                             .                                       (47)

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

                                                       ,                                                (48)

                                                       .                                                (49)

Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться со схемой установки (рис. 3.8) и принципом работы люксметра.

2.Исследовать зависимость фототока от напряжения, которое подается на фоторезистор, при различной освещенности (200, 400 и 500 лк).

3.Исследовать зависимость фототока от освещенности фоторезистора в пределах от 100 до 500 лк через каждые 100 лк при напряжениях на фоторезисторе 20, 30, 40, 50, 60, 70 В.

4.Исследовать зависимость фототока от длины волны света  при напряжениях на фоторезисторе 20, 30, 40 В.

5.Построить графики вольт-амперных , люкс-амперных (световых)  и спектральных  характеристик исследуемого фоторезистора. При построении спектральной характеристики необходимо учитывать, что при изменении длины волны  изменяется энергия излучения. Поэтому необходимо ввести поправки. Для этого на графике зависимости фототока от длины волны необходимо построить кривую распределения энергии в спектре источника света, а потом поделить ординаты первой кривой на соответствующие ординаты второй кривой. В результате получается спектральная характеристика фоторезистора.

6.Пользуясь значениями основных параметров фоторезистора ФД-Д1, приведенных в таблице 1, вычислить интегральную и удельную чувствительность этого резистора.

Таблица 1

                               Контрольные вопросы

1. Каковы особенности зонной структуры полупроводников, диэлектриков и металлов?

2. Что такое уровень Ферми?

3. Какие виды оптического поглощения в полупроводниках вы знаете?

4. Какой вид имеет кривая оптического поглощения в полупроводниках в общем случае? Объясните ее.

5. Что такое край собственного поглощения?

6. Сформулируйте законы теплового излучения.

7. Почему при получении спектральной характеристики фоторезистора необходим перерасчет энергий реального источника света?

8. Как проградуировать монохроматор?

9. Что такое центры захвата носителей заряда в полупроводниках?

10. От чего зависит время жизни неосновных носителей заряда в полупровод­никах?

11. Что такое спектральная чувствительность и спектральная характеристика
фоторезистора?

12. Что такое интегральная чувствительность и удельная интегральная чувствительность?

13. Объясните принцип действия люксметра.

                                         Литература

1. Лысов В.Ф. Практикум по спектроскопии полупроводников. М.: Просвещение, 1976.

2. Киреев П.С. Физика полупроводников. М.: Высшая школа, 1969.