Лабораторна робота №101

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ ФОТОРЕЗИСТОРА

Мета роботи: ознайомитись з вольт-амперною характеристикою фоторезистора та визначити його питому інтегральну чутливість.

Прилади і матеріали: оптична лава, електрична лампочка розжарювання, джерело струму, фоторезистор, потенціометр, вольтметр, мікроамперметр.

1 ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

1.1 Будова і принцип дії фоторезистора

Робота різних напівпровідникових приладів випроміню-вання, до яких належить і фоторезистор, базується на використанні явища внутрішнього фотоефекту. Воно полягає в тому, що під дією випромінювання в напівпровідниках відбувається генерація пар носіїв заряду – електронів і дірок. Суть цього процесу полягає в тому, що якщо енергія фотона більша від ширини забороненої зони напівпровідника, то електрон переходить із валентної зони в зону провідності (розривається ковалентний зв’язок і електрон переходить із зв’язаного стану у вільний). При цьому у валентні зоні напівпровідника виникає дірка. Ці додаткові вільні заряди, які виникають у напівпровіднику внаслідок опромінення, суттєво збільшують його електропровідність, яка отримала назву фотопровідності.

Фоторезисторявляє собою напівпровідниковий резистор, електроопір якого змінюється під дією випромінювання. Принципова схема будови фоторезистора зображена на рис. 101.1. На діелектричну пластину 1 нанесено тонкий шар напівпровідника 2 з контактами 3 по краях. Щоб запобігти механічному пошкодженню напівпровідникового шару, його покривають прозорою захисною плівкою 4. Полярність джерела електричного струму, яке під’єднують до контактів 3, може бути довільна. Якщо світло не попадає на фоторезистор, то він має великий електричний опір R_т,

Рисунок 101.1

який називається темновим. Він є однією із основних характеристик фоторезистора і становить (10⁴÷10⁷) Ом. Відповідний струм І­_т через фоторезистор називається темновим струмом.

Під дією випромінювання з великою енергією фотонів в фоторезисторі відбувається генерація вільних рухомих зарядів (електронів і дірок) і його опір значно зменшується.

Для отримання фоторезисторів використовують різні напівпровідники з необхідними властивостями. Так, наприклад, сірчистий свинець найбільш чутливий до інфрачервоного випромінювання, а сірчистий кадмій – до видимого світла. Значна залежність опору напівпровідника від температури є суттєвим недоліком для фоторезисторів. Суттєвим недоліком слід вважати також їх велику інерційність, яка пояснюється досить великим часом рекомбінації електронів і дірок після припинення опромінювання. Практично фоторезистори використовують для змінного струму частотою ν= (10²-10³) Гц. Фоторезистори широко використовуються в різних схемах автоматики.

1.2 Чутливість фоторезисторів

Залежність величини фотоструму i від прикладеної до фоторезистора напруги U при сталому світловому потоці Ф називається вольт-амперною характеристикою. Для зняття вольт-амперної характеристики фотоопору використовується експериментальна установка, зображена на рис. 101.2. Фоторезистор R_ф і освітлювач розміщені на оптичній лаві. На клеми фоторезистора R_ф подається різниця потенціалів U від джерела постійного струму ε.

Рисунок 101.2

Величина напруги регулюється пересуванням повзунка реохорда П і вимірюється вольтметром V. Струм i через фоторезистор R_ф вимірюється мікроамперметром μА. Фоторезистори мають лінійну вольт-амперну характеристику. Важливою характеристикою фоторезистора є питома інтегральна чутливість γ, яка рівна відношенню величини фотоструму i_ф до величини світлового потоку Ф, віднесеної до одиниці прикладеної до фоторезистора напруги U:

. (101.1)

Струм i через фоторезистор складається із темнового струму i_т і фотоструму i_ф:

, (101.2)

звідки величина фотоструму:

. (101.3)

Величина світлового потоку:

, (101.4)

де Е – освітленість фоторезистора, S – площа поверхні фоторезистора. Освітленість:

, (101.5)

де I – сила світла джерела освітлення, r – відстань від джерела світла до освітлюваної поверхні фоторезистора. Враховуючи (89.5), вираз (89.4) набуває вигляду:

. (101.6)

Підставивши вирази (101.3) і (101.6) у формулу (101.1), отримаємо:

. (101.7)