Фоторезистор как полупроводниковый прибор¶

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием падающего на него оптического излучения. Относится к классу фотоэлектрических приёмников излучения, работающих на основе внутреннего фотоэффекта, то есть изменения проводимости материала при поглощении фотонов без выхода носителей заряда за пределы вещества. В англоязычной литературе используется термин photoresistor, а также обозначение LDR (light-dependent resistor).

¶Принцип работы

Действие фоторезистора основано на явлении фотопроводимости. Полупроводниковый материал, из которого изготовлен элемент, при отсутствии освещения обладает высокой концентрацией собственных носителей заряда лишь при нагреве; в темноте его сопротивление велико. Когда на поверхность попадает свет с энергией фотонов, достаточной для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, в материале генерируются дополнительные свободные электроны и дырки. Это увеличивает электропроводность и снижает сопротивление прибора.

Ключевой параметр — ширина запрещённой зоны полупроводника. Фотоны с энергией меньше этой величины не вызывают внутреннего фотоэффекта, поэтому каждый материал чувствителен к излучению определённого спектрального диапазона. Для видимой области применяют сульфид кадмия и селенид кадмия, для инфракрасной — сульфид свинца, антимонид индия и германий, легированный примесями.

¶Устройство

Конструктивно фоторезистор представляет собой тонкую плёнку или спечённую таблетку фоточувствительного полупроводника, нанесённую на изолирующее основание (керамику, стекло). На противоположных сторонах слоя формируют металлические электроды — чаще всего гребенчатой или зигзагообразной формы. Такая геометрия увеличивает длину токового пути и площадь засветки, что повышает чувствительность. Сверху прибор защищают прозрачным лаком или стеклом, иногда помещают в герметичный корпус.

Основные характеристики:

• тёмновое сопротивление — величина при полном затемнении, обычно от сотен килоом до десятков мегаом;
• световое сопротивление — при нормированной освещённости, падает до сотен ом или единиц килоом;
• кратность изменения сопротивления — отношение тёмнового к световому, может достигать 10⁵–10⁶;
• спектральная чувствительность — зависимость отклика от длины волны;
• инерционность — время нарастания и спада сопротивления после изменения освещённости;
• вольт-амперная характеристика — при малых напряжениях линейна, при больших проявляется отклонение из-за нагрева.

¶История

Явление фотопроводимости впервые наблюдал в 1873 году американский инженер Уиллоуби Смит, изучавший свойства селена при прокладке телеграфного кабеля. Он обнаружил, что освещение образца резко меняет его сопротивление. В дальнейшем исследования фотоэффекта развивали Александр Столетов и другие физики. Промышленные фоторезисторы на основе сульфида кадмия и селенида кадмия появились в середине XX века и быстро вошли в состав датчиков, автоматики и измерительных приборов. В СССР выпускались серии приборов СФ, ФСК, ФСД и другие.

¶Применение

Фоторезисторы применяются там, где требуется простой и дешёвый датчик освещённости:

• автоматическое включение уличного освещения и светильников;
• датчики присутствия и охранные системы;
• измерение освещённости в фотометрии;
• считывание информации с перфокарт и перфолент в ранних вычислительных машинах;
• звуковоспроизведение в оптической дорожке киноплёнки;
• автоматика фотоаппаратов и экспонометры;
• контроль пламени в газовых горелках и котлах.

В бытовой технике типичный пример — ночник или уличный фонарь, который зажигается при наступлении темноты.

¶Преимущества и недостатки

К достоинствам относят высокую чувствительность, простоту конструкции, малые габариты, низкую стоимость и возможность работы как на постоянном, так и на переменном токе. Фоторезисторы не требуют сложных схем включения.

Недостатки: заметная инерционность (от миллисекунд до десятых долей секунды), зависимость параметров от температуры, старение материала и нелинейность характеристик, а также чувствительность к деградации под действием влаги. Из-за инерционности они уступают фотодиодам и фототранзисторам в быстродействующих системах.

¶Материалы и виды

Распространённые типы:

Сульфид кадмия получил наибольшее распространение благодаря доступности и совпадению спектра чувствительности с областью видимого света.

¶Особенности эксплуатации

При включении последовательно с фоторезистором резистора получают делитель напряжения, с которого снимается сигнал, пропорциональный освещённости. Для повышения стабильности применяют термокомпенсацию и защиту от влаги. При длительной работе под ярким светом параметры прибора постепенно меняются, что учитывают при проектировании ответственных устройств. В современных разработках фоторезисторы часто заменяют фотодиодами и цифровыми датчиками света, однако в простых и дешёвых схемах они сохраняют позиции.

Источники: учебники по полупроводниковой электронике, справочники по фотоэлектрическим приборам, техническая документация производителей.