Текст
Л Е М Е Н Т Ы
Ш^^ДИОЭЛЕКТРОННОЙ
П ПАРАТУ Р Ы
о
S
М. Д. Аксененко
Е. А. Красовский
<
а.
ОТОРЕЗИСТОРЫ
ш
О
*
и
сов
ш
ЭЛЕМЕНТЫ
РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ
АППАРАТУРЫ
М. Д. Аксененко,
Е. А. Красовский
МОСКВА «СОВЕТСКОЕ РАДИО» 1973
ФОТОРЕЗИСТОРЫ
Scan AAW
6Ф0.34
А424
УДК 621.318.58
Аксененко М. Д., Красовский Е. А. Фоторезисторы. М.,
«Сов. радио», 1973, 56 с.
Кратко излагаются физические основы работы фоторезисторов,
принципы их устройства и система параметров. Описываются мето-
ды измерения основных фотоэлектрических параметров и приво-
дятся данные, характеризующие современные охлаждаемые и не-
охлаждаемые фоторезисторы. Рассматривается влияние эксплуата-
ционных факторов на параметры фоторезисторов и даются рекомен-
дации по применению и правилам их эксплуатации. Излагается ме-
тодика расчета чувствительности фоторезисторов к источнику с лю-
бой температурой излучения.
Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, связанных
с изготовлением, эксплуатацией и ремонтом оптико-электронных
устройств, в которых применяются фоторезисторы.
5 табл., 32 рис., 10 назв. библ.
Редакционная коллегия серии брошюр ЭРА:
Балашов В. П. (отв. редактор), Бацев В. И., Бергельсон И. Г.,
Девятков Н. Д., Девяткин И. И., Кондратенков В. М., Кукарин С. В.,
Сретенский В. Н. (зам. отв. редактора), Сергиенко С. М.,
Темкин С. Е., Чернышев А. А. (зам. отв. редактора), Якимов О. П.,
Якубовский С. В.
А 3312-045 _
А 046(01) -73 36'73
© Издательство «Советское радио», 1973 г.
ВВЕДЕНИЕ
Фотоэлектрические приемники лучистой энергии — приборы для
обнаружения и измерения электромагнитного излучения, основанные
на фотоэффекте, находят все .более широкое применение в различ-
ных областях техники и для научных исследований. Наряду с дру-
гими типами фотоприемников ((например, фотоприемниками на р—п
переходах или приемниками, основ энными на внешнем фотоэффекте)
к числу фотоэлектрических приемников лучистой энергии относятся
и фоторезисторы (фотосопротивления), т. е. приборы, основанные на
явлении фотопроводимости.
Явление фотопроводимости i(уменьшение электрического сопро-
тивления материала при поглощении им излучения) было открыто
в 1873 г. У. Смитом. Практическое начало создания фоторезисторов
как приемников излучения относится к 1917 г., когда были созданы
сернисто-таллиевые фоторезисторы (таллофиды). Дальнейшему раз-
витию фоторезисторов способствовала возможность использования
невидимого человеческим глазом инфракрасного излучения многих
объектов в военных целях. В (1940 г. были получены первые сведе-
ния о фотопроводимости в PbS и PbSe. Последующие исследования
привели к созданию сернисто-свинцовых фоторезисторов, исполь-
зованных Германией в конце второй мировой войны для обнаруже-
ния военных объектов. С этого момента начинается быстрое разви-
тие фоторезисторов, нашедших применение не только в военной тех-
нике, но и в различных областях народного хозяйства.
В нашей стране большую роль в деле изучения фотоэффекта
в полупроводниках, в создании и изучении новых полупроводни-
ковых материалов, пригодных для изготовления фоторезисторов, сы-
грали работы А. Ф. Иоффе и его сотрудников. Большой вклад в изу-
чение механиз*ма фотопроводимости был внесен также работами
Б. Т. Коломийца, С. М. Рывкина, Л. Н. Курбатова, В. В. Балакова,
Д. В. Наследова. Всеобщее признание получили работы В. Е. Лош-
карева и его сотрудников в области исследования фотоэлектриче-
ских явлений в сернистом кадмии.
Серийный выпуск фоторезисторов в нашей стране начался
в 1948 г., когда были освоены сернисто-висмутовые фоторезисторы.
Позже они были заменены сернисто-кадмиевыми и селенисто-кадмие-
выми фоторезисторами, обладающими значительно лучшими параме-
трами. Большая роль в создании первых промышленных образцов
фоторезисторов на основе сернистого кадмия и сернистого свинца
принадлежит профессору Б. Т. Коломийцу и его сотрудникам. В по-
следние годы ими и другими учеными были созданы также фоторе-
зисторы на основе селенистого свинца, обладающие высокими фото-
электрическими параметрами и 'эксплуатационными свойствами.
В настоящее время трудно найти такую отрасль народного хо-
зяйства, науки или техники, где бы не применялись фоторезисторы.
Высокая обнаружительная способность фоторезисторов позволяет
3
использовать их в устройствах для дистанционного измерения не-
значительных местных перегревов различных объектов (например,
двигателей или электронных схем), в приборах для спектрального
анализа состава различных материалов, в системах световой сигна-
лизации и защиты и т. д.
Важностью задач, решаемых аппаратурой, <в которой использу-
ются фоторезисторы, и объясняется то внимание, которое уделяется
в настоящее время в технически развитых странах их разработке
и выпуску.
Высокие требования, предъявляемые к надежности аппаратуры,
могут быть реализованы только при условии правильного выбора
и соблюдения правил эксплуатации фоторезисторов.
Целью настоящей брошюры является изложение, по возможности
в доступной форме, основных сведений о физике, конструкции, па-
раметрах и правилах эксплуатации фоторезисторов для читателей,
связанных с ремонтом и обслуживанием оптико-электронной аппа-
ратуры.
I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ
ФОТОРЕЗИСТОРОВ
IB фоторезисторах используется явление фотопроводимости,
т. е. изменение электропроводности вещества под воздействием
электромагнитного излучения. Для понимания физических процессов,
обусловливающих фотопроводимость различных материалов, необхо-
димо кратко рассмотреть основы зонной теории и некоторые элек-
тронные процессы, имеющие место в кристаллах твердых тел.
Атомы элементов, как известно, состоят из положительно за-
ряженного ядра и электронов, движущихся вокруг него по опреде-
ленным орбитам, образующим систему оболочек (эти оболочки обо-
значаются буквами К, L, N и др.). Энергетическое состояние элек-
трона в атоме, т. е. его потенциальная и кинетическая энергия, опре-
деляется номером орбиты, по которой он движется.
Из сказанного выше следует, что энергетический спектр состоя-
ний электронов в атоме может быть изображен в виде отдельных
линий (уровней), соответствующих дискретным значениям энергии.
Переход электронов с одного энергетического уровня на другой воз-
можен только в том случае, если они получают извне дополнитель-
ную энергию, например, под действием температурного нагрева, све-
та или сильного электрического поля. Причем переход электрона
с уровня на уровень следует понимать не как перемещение его в про-
странстве, а как потерю или приобретение им энергии по сравнению
с первоначальным ее значением.
Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства мате-
риалов определяются числом только внешних, наименее связанных
с ядром валентных электронов, поведение которых в периодическом
поле кристаллической решетки описывается зонной теорией. В соот-
ветствии с этой теорией при образовании кристаллической решетки,
т. е. при сближении атомов, их энергетические уровни вследствие
взаимодействия расщепляются, образуя отдельные зоны.
Энергетический спектр валентных электронов в кристаллической
решетке твердого тела изображен на рис. 1.
Из рисунка видно, что спектр валентных электронов образует
две зоны — основную зону 1 и зону возбужденных уровней 2. Сте-
пень заполненйя электронами этих зон определяется природой ато-
мов, образующих кристаллическую решетку. В принципе могут иметь
место три случая: и) все состояния образовавшейся зоны заполнены
электронами, б) зона частично заполнена электронами, в) зона пол-
ностью свободна от электронов. При абсолютном нуле температуры
2—1504 5
(T=O°K) зона 1 частично или полностью занята электронами. Ее
принято называть валентной или заполненной зоной. Зона 2 при
Т =0° К полностью свободна, а поэтому ее называют свободной зо-
ной или зоной проводимости.
У различных твердых веществ эти две зоны относительно друг
друга могут занимать различное положение. У металлов (см. рис. 1,а)
эти зоны либо непосредственно примыкают друг к другу, либо даже
перекрывают друг друга. По величине энергии энергетические уровни
в зоне проводимости отличаются очень незначительно (порядка
10-23 эв) *). Поэтому можно считать, что в пределах зоны 2 энерге-
тический спектр практически непрерывен. Так как средняя тепловая
Рис. 1. Энергетический спектр валентных электронов в различных
материалах (а — металл, б — полупроводник, в — изолятор).
энергия атома при комнатной температуре составляет примерно
4 • 10-2 эв, т. е. во много раз больше, чем энергетический барьер
между соседними уровнями зоны 2, то в пределах последней элек-
троны металлов могут свободно переходить с одного уровня на дру-
гой.
Под влиянием приложенного к металлу электрического поля
электроны начнут направленное движение (в сторону положительно-
го потенциала), т. е. в замкнутой цепи потечет электрический ток.
В полупроводниках и изоляторах энергетический спектр разре-
шенных уровней, находящихся в .валентной зоне /ив зоне проводи-
мости 2, разделен зоной запрещенных энергетических уровней, шири-
на которой равна ДЕ эв (см. рис. 1,6, в). Приложение электрическо-
го поля к материалу, имеющему такуку структуру, не вызывает по-
явления электрического тока, несмотря 'на то, что концентрация
электронов в валентной зоне может быть такой же, как у металлов.
Это объясняется тем, что все энергетические состояния валентной
зоны уже заняты, а поэтому находящийся в электрическом поле
электрон не может повысить свое энергетическое состояние, т. е. пе-
рейти на более высокий энергетический уровень.
Для появления электропроводности в таком материале необхо-
димо, чтобы часть электронов валентной зоны каким-то образом по-
высила свою энергию на величину, равную или более ширины за-
*) Электрон-вольт (эв)—единица энергии, равна 1,6 • 10~19 дж.
6
прёщенной зоны ДЕ, и попала в зону проводимости, где они могут
свободно перемещаться в электрическом поле. При температуре вы-
ше абсолютного нуля вероятность таких переходов существует за
счет теплового движения электронов. Величина электропроводности
материала 1(о) при этом будет определяться соотношением между
средней тепловой энергией электронов и шириной запрещенной зоны
де
о=А0е 2kT [ом-1-см-1], (1)
где Ао — коэффициент, зависящий от материала полупроводника;
ДЕ— ширина запрещенной зоны, эв; k — постоянная Больцмана
(£=il,38 • 10-23 вт • сек!град); Т — абсолютная температура, °К.
По величине электропроводности при комнатной температуре
кристаллические вещества условно делят на полупроводники и изо-
ляторы. К числу полупроводников относят кристаллы с шириной за-
прещенной зоны до 2—2,5 эв. Указанная граница является, конечно,
чисто условной. Величина удельной электропроводности полупровод-
ников лежит в пределах от 103 до 10-9 Л1ом-см. К изоляторам от-
носят материалы с шириной запрещенной зоны более 2,5 эв. Их
электропроводность составляет величину о<10-10 \/ом-см.
Уход из валентной зоны отдельных электронов, которые получи-
ли каким-то образом дополнительную энергию Е^ДЕ, вызывает по-
явление в этой зоне пустых (незаполненных) уровней, которые но-
сят название «дырок» и имеют положительный электрический заряд.
Электроны, оставшиеся в заполненной зоне, имеют возможность пе-
ремещаться с одного уровня на другой «в пределах этой зоны, зани-
мая образовавшиеся дырки, а вместо них образуя новые дырки на
других энергетических уровнях. Таким образом, направление движе-
ния дырок противоположно направлению движения электронов.
Если к такому полупроводнику приложить электрическое поле,
то электроны 'будут двигаться против поля, а дырки — по направле-
нию поля. Скорость направленного движения носителей тока (элек-
тронов и дырок) будет пропорциональна напряженности электриче-
ского поля. Коэффициент пропорциональности ц между скоростью
движения носителей и напряженностью электрического поля носит
название подвижности носителей
где v — средняя скорость носителя тока в электрическом поле, см/сек,
Е — напряженность электрического поля, в!см.
Электроны создают электронный ток /э, а дырки дырочный
/д. О таком полупроводнике говорят, что он обладает электронно-
дырочной проводимостью. Общий ток I будет равен
/=7э+/д. (3)
Составляющие тока соответственно равны
/д = епрЦР5Е, /э=еПпНпЕЕ, (4)
где е — заряд электрона; пп> пР — соответственно концентрация
электронов и дырок; цп, — соответственно подвижность электро-
2* 7
нов и дырок; S — площадь поперечного сечения полупроводника;
Е — напряженность электрического поля.
Рассмотренный выше тип полупроводника является беспримес-
ным (собственным), а проводимость, обусловленная переходом ва-
лентных электронов в зону проводимости, также называется собст-
венной.
Если в кристаллической решетке полупроводника имеются раз-
личные примеси, то они существенно изменяют как величину, так и
характер электропроводности полупроводника.
Энергетические уровни валентных электронов примеси могут рас-
полагаться либо вблизи зоны проводимости 1(рис. 12,6), либо вблизи
валентной зоны (рис. 2,в). iB первом случае дополнительная, сверх
собственной, электропроводность создается в результате перехода
электронов с энергетического уровня примеси (донорный уровень)
Рис. 2. Электронные переходы в полупроводниках в случае собствен-
ной (а) и примесной (б, в) проводимостей.
в свободную зону 2 полупроводника при преодолении ими энергети-
ческого барьера ДЕь во втором случае — в результате образования
свободных дырок в валентной зоне за счет ухода электронов из
валентной зоны 1 полупроводника на энергетический уровень приме-
си ((акцепторный уровень), преодолевая при этом энергетический
барьер ДЕ2.
(Полупроводники с донорной примесью называются электронны-
ми или полупроводниками n-типа, а -с акцепторной примесью — ды-
рочными или полупроводниками р-типа.
Поскольку ДЕ1<ДЕ и ДЕ2<ДЕЛ то для перевода электронов
в возбужденное состояние в примесном полупроводнике им необхо-
димо сообщить значительно меньше энергии, чем в чистом (собст-
венном) полупроводнике. В примесных полупроводниках основное
повышение электропроводности достигается при переходе электронов
из заполненной зоны на акцепторный уровень примеси '(Для полу-
проводника p-типа) или с уровня донорной примеси в свободную
зону 2 (для полупроводников n-типа) при преодолении ими энер-
гетического барьера ДЕ1 или ДЕ2. В первом случае основными но-
сителями тока являются дырки, образовавшиеся в заполненной зо-
не 1 (дырочная проводимость), во втором — электроны, перешедшие
в свободную зону 2 ((электронная проводимость). Кроме основных
носителей тока, в примесных полупроводниках имеет место и элек-
8
тронно-дырочная проводимость, как и у беспримесных полупровод
ников. Однако число таких носителей значительно уступает количе-
ству основных носителей. Вследствие этого носители собственной
проводимости в примесных полупроводниках получили название не-
основных (для полупроводников p-типа это электроны, а для полу-
проводников п-типа — дырки).
Как говорилось выше, возбуждение электронов может происхо-
дить в результате повышения температуры полупроводника или же
облучения его лучистым потоком. В последнем случае электроны
получают дополнительную энергию, необходимую для преодоления
запрещенной зоны, от квантов излучения. Очевидно, что энергия
кванта должна быть больше ширины запрещенной зоны, т. е.
е^ДЕ. (5)
Изменение электропроводности полупроводника при воздействии
на него лучистого потока называется фотопроводимостью. Практи-
чески это выражается в уменьшении электрического сопротивления
полупроводникового материала при его освещении.
По аналогии с проводимостью, обусловленной переходами элек-
тронов с одного энергетического уровня на другой вследствие энер-
гии теплового движения, полупроводниковые материалы могут иметь
как собственную, так и примесную фотопроводимость.
Рассмотрим механизм фотопроводимости более подробно. В от-
сутствие облучения благодаря непрерывному взаимодействию элек-
тронов с кристаллической решеткой полупроводника температура
чувствительного элемента фоторезистора устанавливается практиче-
ски постоянной. Этой температуре соответствует определенная кон-
центрация электронов и дырок \п0 и ро), образовавшихся в резуль-
тате тепловых забросов электронов валентной зоны (или примеси)
в зону проводимости. Эти электроны и дырки принято называть
равновесными носителями тока.
При воздействии на полупроводник лучистого потока в нем
возникают избыточные пары носителей тока (электроны и дырки)
за счет перехода их с основных или примесных уровней в зону про-
водимости. Общая концентрация носителей в этом случае будет
равна сумме концентраций равновесных (по, ро) и неравновесных
(Дп, Др) носителей
п=По+Дп, р=р0+Др. (6)
Концентрация неравновесных носителей, возникающих под воз-
действием излучения, пропорциональна количеству поглощенных по-
лупроводником квантов излучения и количеству пар электрон — дыр-
ка, образующихся на один поглощенный квант i(t. е. пропорциональ-
на квантовой эффективности):
Дп=Др=р£ЛГ, (7)
где Р — квантовая эффективность; k — коэффициент поглощения;
N — интенсивность лучистого потока ^(квант1сек).
У большинства полупроводников величина квантовой эффектив-
ности внутреннего фотоэффекта близка к единице, т. е. при фото-
электрическом поглощении излучения каждый квант создает по
крайней мере один носитель тока. Из соотношения <(7) следует, что
концентрация неравновесных носителей будет непрерывно возрастать
по мере облучения фоторезистора. Однако в действительности из-за
9
взаимодействия с кристаллической решеткой в зоне проводимости
электроны теряют часть своей энергии и возвращаются на основные
уровни. На этих уровнях электроны встречаются со свободными
дырками, в результате чего их заряды нейтрализуются, и пары но-
сителей электрон — дырка прекращают свое существование. Таким
образом, в полупроводнике, наряду с процессом генерации неравно-
весных носителей, происходит их рекомбинация. Через некоторое
время с момента начала облучения фоторезистора устанавливается
равновесие между количеством генерируемых и рекомбинируемых
носителей.
Между актами генерации и рекомбинации каждый неравновес-
ный носитель находится некоторое время в зоне проводимости. При-
чем именно в течение этого времени, которое называется «временем
жизни», он вносит вклад в увеличение электропроводности материа-
ла. Время жизни каждого носителя различно. Поэтому на практике
пользуются понятием «среднего .времени жизни» т.
Уравнение, описывающее скорость изменения числа неравновес-
ных носителей (Дп), находящихся в зоне проводимости, может быть
представлено в следующем виде:
d _ ,г»-
dt k-" т
где k — коэффициент поглощения полупроводникового материала.
(3— величина квантовой эффективности; N — число квантов излуче-
ния, падающих на фоторезистор в секунду; т—среднее время жиз-
ни носителей .в зоне проводимости.
Первый член правой части уравнения (8) представляет собой
скорость генерации носителей, а второй— скорость их рекомбинации.
d (Дц)
В установившемся режиме они равны, т. е. —— = 0. Тогда
Л/гст = £рЛ/т. (9)
Из последнего выражения следует, что стационарная концентра-
ция носителей ДпСт пропорциональна среднему времени их жизни.
Соответствующее изменение удельной электропроводности для фото-
резистора в общем виде записывается следующим образом:
ДОст = ерМ/Трт? (10)
а для полупроводника, где в электропроводности участвуют как
электроны, так и дырки,
AOcT = epW(pPrP+jXnTn>). (11)
Число фотонов (квантов излучения), падающих на полупроводник,
пропорционально лучистому потоку. Для монохроматического из-
лучения с частотой v число квантов равно
Eq
Лг=-^-, (12)
где Е— облученность полупроводника; q — облучаемая поверхность
полупроводника; hv — энергия кванта излучения с частотой v; h —
постоянная Планка, равная 6,554 • 10-27 эрг-сек.
10
Таким образом, на основании выражений (14) и (42) можно
записать
? aCI = ф -£ (jXpTp + }Л„ТП), (13)
откуда следует, что величина стационарной фотопроводимости полу-
проводника пропорциональна его облученности и среднему времени
жизни носителей.
Между фотопроводимостью и интенсивностью падающего света
существует линейная зависимость только в том случае, когда Бремя
жизни носителей не зависит от их концентрации. Это имеет место,
если концентрация неравновесных носителей намного меньше, чем
равновесных (Дист<Сио). В случае, когда ДпСт сравнимо или больше
По, линейная зависимость между ДоСт и Е нарушается. В большин-
стве таких случаев ее можно выразить
(14)
Как упоминалось ранее, фотопроводимость появляется только
тогда, когда энергия кванта будет равна или больше ширины за-
прещенной зоны полупроводникового материала, т. е.
e = Ev^AE. (15)
Из этого выражения можно определить границу фотопроводи-
мости (иногда в литературе она называется длинноволновой грани-
цей), если известна ширина запрещенной зоны ДЕ:
vrp=AE//i. (16)
с
Так как v = где с = 2,9979-108 м;сек—скорость света, а \—
длина волны электромагнитного излучения, имеющего частоту v,
то граничная длина волны фотопроводимости равна
^rp = c/i/AE. (17)
Если % выражена в микронах, а ДЕ — в электрон-вольтах, то
1,24
^гр = 1мкм1- (18)
Значения ширины запрещенной зоны некоторых полупровод-
никовых материалов, используемых для изготовления фоторезисто-
ров, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Ширина запрещенной зоны некоторых полупроводниковых
материалов при комнатной температуре
Материал CdS CdSe Si Ge PbS InAs PbTe PbSe InSb
Ширина запре- щенной зоны, эв 2,4 1,8 1,1 0,7 0,37 0,35 0,27 0,22 0,18
11
В случае примесной фотопроводимости длинноволновая граница
определяется типом введенной примеси. Так, например, для примес-
ного германия %Гр в зависимости от типа примеси может изменяться
от 40 до 3,5 мкм. Соответствующая этим длинам волн ширина за-
прещенной зоны примесного уровня лежит в пределах от АЕ=
=0,03 эв (энергия, близкая к энергии теплового возбуждения элек-
тронов) до АЕ=0,35 эв.
'При значительном понижении температуры полупроводников на
основе соединений свинца ширина их запрещенной зоны уменьша-
ется, в результате чего длинноволновая граница фотопроводимости,
как следует из выражения (18), смещается в сторону более длинных
волн. Обратную картину имеют соединения на основе индия (InSb,
InAs), длинноволновая граница чувствительности которых при ох-
лаждении смещается в сторону более коротких волн.
Следует отметить, что фотопроводимость наблюдается не во
всей области, где а только в ее длинноволновой части
(рис. 3). Одна из причин, объясняющих это явление, заключается
в том, что по мере уменьшения !к быстро растет поглощение полу-
проводника, и основная доля энергии поглощается в поверхностном
Рис. 3. Спектральная зависимость коэффициента поглощения (£х),
собственной (I) и примесной (II) фотопроводимостей.
Л.гр1 и Л,гр2 — длинноволновые границы собственной и примесной фотопрово-
димостей.
слое, в результате чего за счет поверхностной рекомбинации резко
снижается число носителей тока. С другой стороны, это вызвано
еще и тем, что при одной и той же мощности излучения, приходя-
щейся на единичный интервал длины волны, число квантов излуче-
ния прямо пропорционально длине волны, что вытекает из выраже-
ний 1(12) и <(17). Следовательно, при уменьшении длины волны
уменьшается число квантов, а вместе с ним и фотопроводимость
полупроводника. В силу указанного обстоятельства все фоторези-
сторы обладают селективной '(по длине волны) чувствительностью.
Спектральная характеристика примесной фотопроводимости
сдвинута относительно собственной (беспримесной) в сторону боль-
ших длин волн. Вследствие меньшей концентрации атомов примесей
по сравнению с концентрацией атомов основного -материала примес-
ное поглощение, а следовательно, и примесная фотопроводимость
существенно ниже фотопроводимости собственного полупроводника
(см. рис. 3).
12
В настоящее время фоторезисторы изготавливаются на основе
полупроводниковых материалов, обладающих как собственной, так
и примесной фотопроводимостью. К первой группе следует отнести
фоторезисторы на основе соединений свинца (PbSe, PbS, РЬТе) и
индия (InSb, InAs). В последнее время стали разрабатываться фо-
торезисторы на основе тройных соединений типа Hg'CdTe, PbSnTe,
представляющие собой твердые растворы двух компонент (HgTe и
CdTe, РЬТе и SnTe), у которых область спектральной чувствитель-
ности может изменяться в широких пределах в зависимости от ко-
личественного содержания отдельных компонент. Ко второй группе
относятся фоторезисторы на основе германия и кремния, легиро-
ванных примесями различных элементов — золота (Ge: Au), золота
и сурьмы >(Ge: Au, Sb), цинка (Ge:Zn), цинка и сурьмы
(Ge : Zn. Sb), меди (Ge : Си), кадмия (Ge : Cd), ртути (Ge : Hg), бо-
ра (Si: В), а также сплав кремния с германием, легированный цин-
ком и сурьмой (Ge—Si: Zn, Sb), и другие сочетания примесей.
Фоторезисторы на основе CdS и CdSe могут быть отнесены
к приемникам с собственной или примесной фотопроводимостью
в зависимости от концентрации введенной примеси (например, Си
или Ag).
II. КОНСТРУКЦИИ ФОТОРЕЗИСТОРОВ
В зависимости от типа и назначения фоторезисторов их кон-
струкция может быть выполнена различным образом.
НЕОХЛАЖДАЕМЫЕ ФОТОРЕЗИСТОРЫ
Конструкции неохлаждаемых фоторезисторов можно разде-
лить на два типа: бескорпусные и корпусные (рис. 4). Основной
частью любой из конструкций является чувствительный элемент.
Он состоит из тонкого слоя фоточувствительного полупроводнико-
вого материала 2, нанесенного на изолирующую подложку /. По
краям фоточувствительного элемента нанесены металлические элек-
троды |(контакты).
Наиболее распространенные типы неохлаждаемых фоторезисто-
ров изготавливаются с чувствительными элементами из сульфида
кадмия (CdS), селенида кадмия (CdSe), сульфида свинца (PbS) и
селенида свинца (PbSe).
Фоточувствительный слой из CdS и CdSe чаще всего наносится
на стеклянной или керамической подложке в виде тонкой пленки,
полученной путем пульверизации исходного материала из суспен-
зии, реже — путем испарения материала в вакууме. Иногда фото-
чувствительный слой получают в виде таблеток путем спекания
порошкообразной массы. Для некоторых типов фоторезисторов фо-
точувствительные элементы изготавливаются также из монокристал-
лов CdS. В качестве электродов обычно применяют пленки метал-
лов, не подвергающихся коррозии '(золото, платина, серебро), нано-
симые испарением в вакууме.
Чувствительные элементы фоторезисторов на основе PbS и
PbSe изготавливаются на стеклянных или кварцевых подложках пу-
3—15Q4 |3
тем химического осаждения из растворов '(химическая технология)
или термического испарения в вакууме (физическая технология).
Контакты, как правило, изготавливаются путем термического испа-
рения золота в вакууме.
Параметры чувствительных элементов фоторезисторов обладают
недостаточной стабильностью на открытом воздухе, особенно при
наличии влаги. Для защиты от влияния влаги, воздуха и других
внешних воздействий чувствительные элементы фоторезисторов по-
крывают слоем защитного лака (герметика). При этом требуется,
чтобы слой лака обладал достаточной прозрачностью в той области
спектра, для работы в которой предназначен фоторезистор, был вла-
гостойким и не изменял своих свойств в пределах всего диапазона
рабочих температур.
Более надежную защиту фоточувствительного слоя от воздей-
ствия'окружающей среды обеспечивает пластмассовый или металли-
Рис. 4. Схемы устройства фоторезисторов (а — бескорпусные, б —
в пластмассовом корпусе, в — в металлическом герметизированном
корпусе):
/ — изолирующая подложка; 2—фоточувствительный элемент; 3 — защитный
слой лака; 4 — контакты; 5 — выводы; 6 — стекло; 7 — корпус.
Рис. 5. Спектральный коэффициент пропускания оптических мате-
риалов.
/ — кварцевое стекло (1 см), 2 — сапфир (1 мм), 3 — кремний (1 мм), 4 — гер
маний (0,5 мм),
14
1еский корпус с герметичными выводами от контактных электродов
чувствительного элемента. Иногда эти выводы делаются в виде
штырьков, чаще всего — в виде гибких проводов, пригодных для
пайки при включении фоторезистора в электрическую схему.
Если фоторезистор предназначается для длительной работы
в условиях повышенной влажности и температуры, то его конструк-
ция выполняется герметичной — фоточувствительный элемент рас-
полагается в металлическом корпусе (рис. 4,в), с окном из стекла
или другого оптического материала, например из германия, сапфира
или кремния. В случае применения окон из германия и кремния ле-
вая граница спектрального диапазона чувствительности фоторези-
стора определяется спектральной характеристикой пропускания окна
(рис. 5). Соединение входных окон с металлическим корпусом осу-
ществляется склейкой эпоксидным клеем, либо путем пайки или
сварки.
ОХЛАЖДАЕМЫЕ ФОТОРЕЗИСТОРЫ
Характеристики фоторезисторов на основе PbS и PbSe могут
быть значительно улучшены при охлаждении фоточувствительного
элемента до температуры твердой углекислоты i(195°K) или жидко-
го азота (77 °К) в результате снижения тепловой генерации равно-
весных носителей тока и сужения ширины запрещенной зоны.
Фоторезисторы на основе InSb и Ge : Au для достижения необ’
ходимых параметров требуют охлаждения до температуры не выше
77 °К, на основе Ge-: Hg — не выше 27 °К, Ge • Zn и Ge : Си охлаж-
даются до температуры 20 СК и ниже.
В качестве хладоагентов могут использоваться фреоны (от 263
до 145 °К), твердая углекислота (195 °К), жидкий или газообразный
азот (77 °К), жидкий неон (27 °К), жидкий >(газообразный) водород
(20 °К) и жидкий гелий (4,2 °К). 'Кроме того, охлаждение чувстви-
тельных элементов фоторезисторов может осуществляться термоэлек-
трическим устройством, основанным на использовании эффекта
Пельтье (поглощение тепла в спае двух полупроводников, один из
которых p-типа, а второй n-типа, при пропускании через него элек-
трического тока).
Чувствительные элементы фоторезисторов на основе InSb изго-
тавливаются из монокристаллического материала p-типа в виде
пластин. Чувствительные элементы фоторезисторов, где используется
примесная фотопроводимость в германии, изготавливаются в виде
кубиков или параллелепипедов размером до нескольких миллиме-
тров. Так как величина коэффициента поглощения примесной обла-
сти намного меньше, чем в собственной, такие размеры чувствитель-
ных элементов позволяют более полно использовать воспринимаемое
фоторезистором излучение. Контакты к чувствительным элементам
из InSb и легированного германия изготавливаются обычно из зо-
лота, которое наносится электролитически или путем испарения
в вакууме.
Основой конструкции охлаждаемых фоторезисторов (рис. 6),
как правило, является герметичный стеклянный сосуд с двойными
сгенками (сосуд Дьюара), из которого удален воздух, что обеспечи-
вает длительное сохранение хладоагента. Внешнее входное окно 1
выполнено из материала, прозрачного в инфракрасной области спек-
тра. Чувствительный элемент 2 прикрепляется к донной части вну-
треннего стакана сосуда Дьюара. Внутренняя полость сосуда Дьюа-
3* 15
ра заполняется углекислотой или жидким азотом 4 (см. рис. Ь,а).
При достаточно хорошей теплопроводности стенок сосуда фоточув-
ствительный элемент принимает температуру, близкую к температу-
ре хладоагента.
В тех случаях, когда хладоагентом является жидкий гелий, не-
он или водород 7 (рис. 6,6), в конструкцию криостата обычно вво-
дится дополнительная рубашка, наполненная жидким азотом 4,
который предотвращает быстрое испарение (выкипание) основного
хладоагента 7.
Заливные конструкции охлаждаемых фоторезисторов (рис. 6,а, б)
обладают тем недостатком, что могут применяться, как правило,
в стационарных условиях, так как требуют запаса жидкого хладо-
агента.
Более удобными для эксплуатации охлаждаемых фоторезисторов
являются конструкции, в которых в качестве хладоагента использу-
ется газ, сжатый до давления 150—350 атм, способный храниться
Рис. 6. Принципиальные схемы конструкций фоторезисторов, охлаж-
даемых жидким азотом (а), жидким гелием (6) и сжатым азо-
том (в):
/ — входное окно (фильтр); 2 — фоточувствительный элемент; 3 — сосуд
Дьюара; 4— жидкий азот, 5 — электрический вывод; 6 — змеевик; 7 — жидкий
гелий; 8 — охлаждаемая диафрагма, образующая апертурный угол.
длительное время в специальных баллонах. Основным элементом
таких конструкций является микрохолодильник, представляющий со-
бой змеевик, помещенный внутрь сосуда Дьюара (см. рис. 6,в), за-
канчивающийся дюзой небольшого диаметра. Сжатый газ, в качест-
ве которого обычно используется сжатый азот или сжатый воздух,
подается в змеевик. При выходе из змеевика газ резко увеличивает
•свой объем, при этом температура газа понижается за счет рабо-
ты, затраченной на расширение газа. Это явление известно в тех-
нике под названием адиабатического расширения. В результате зна-
чительного поглощения тепла внутренняя полость сосуда Дьюара,
непосредственно примыкающая к выходу змеевика и к которой при-
креплен фоточувствительный элемент, охлаждается до температуры
16
сжиженного газа. Отработанный газ через специальные отверстия,
расположенные в корпусе змеевика, выходит наружу (при разомкну-
той системе охлаждения) или в баллон (при замкнутой системе).
Величина апертурного угла (телесного угла, в котором фоточув-
ствительный элемент воспринимает падающий на него лучистый по-
ток) зависит от расстояния элемента до входного окна и размеров
окна. Иногда для существенного снижения апертурного угла при-
(меняются специальные диафрагмы (см. рис. 6,в).
Для повышения механической прочности охлаждаемых фоторе-
зисторов стеклянная конструкция сосуда Дьюара, как правило, кре-
пится внутри металлического корпуса с помощью компаунда, зали-
ваемого между их стенками.
Чувствительность фоторезисторов тем выше, чем на меньшую
площадь попадает один и тот же по величине лучистый поток. По-
вышение чувствительности в этом случае происходит по двум при-
чинам— вследствие возрастания абсолютной величины напряжения
сигнала и уменьшения напряжения шумов. Однако простое умень-
шение размеров чувствительного элемента сопряжено с уменьшени-
ем поля зрения, а тем самым и уменьшением величины принимае-
мого лучистого потока.
Сохранение постоянства поля зрения и величины воспринимае-
мого фоторезистором лучистого потока при уменьшении геометриче-
ских размеров его чувствительного элемента обеспечивается приме-
Рис. 7. Принцип иммерсионного усиления у фоторезисторов с непо-
средственным нанесением фоточувствительного элемента 2 на лин-
зу 1 (а) и на специальную подложку 3 (6).
нением иммерсионной линзы. Как показано на рис. 1,а, вследствие
более высокого по сравнению с воздушной средой коэффициента
преломления материала линзы оптические лучи концентрируются на
меньшую площадь (5ИМмД чем в случае, если бы такая линза от-
сутствовала (So).
Уменьшение площади изображения в случае использования им-
мерсионной линзы почти пропорционально квадрату величины ко-
эффициента преломления материала линзы.
С помощью линзы решается и обратная задача — увеличение
поля зрения (а вместе с этим и величины воспринимаемого потока)
при сохранении прежних размеров приемной площадки.
Чувствительный элемент наклеивается непосредственно на пло-
скую сторону иммерсионной линзы. Иммерсионные линзы изготов-
17
12
□□□□□□□□□□О
13
□□□□□□□□□□О
□□□□□□□□□□о
□□□□□□□□□□
□□□□□□□□□□
□□□□□□□□□□
□□□□□□□□□а
□□□□□□□□□□
□□□□□□□□□а
□□□□□□□□□а
□□□□□□□□□□
□□□□□□□□□а
□□□□□□□□□а
Рис. 8. Типовые формы чувствительных элементов фоторезисторов:
/ — квадратная; 2 — прямоугольная; 3 — круглая; 4 — кольцевая; 5 — ломаная
змейка; 6 — угловая; 7 — крестообразная; 8 — четырехэлементная; 9 — трех-
элементная; 10 — двухэлементная; // — змейка; /2 — одна линейка; 13 — две
линейки; 14 — многоэлементная мозаика.
Рис. 9. Внешний вид некоторых фоторезисторов.
18
ляются юбычно из оптических материалов, обладающих большим
коэффициентом преломления, например, из титаната стронция
(п—2,3) или германия (гг = 4,О5).
Чувствительный элемент наносится либо непосредственно на лин-
зу (рис. 7,а), либо на отдельную подложку, соединяемую с линзой
путем склейки (рис. 7,6). В последнем случае поле зрения фоторе-
зистора ограничивается за счет полного внутреннего отражения на
границе сред — материал линзы — клей.
Чувствительные элементы с иммерсионными линзами применя-
ются как у охлаждаемых, так и у неохлаждаемых фоторезисторов.
Фоторезисторы различаются не только конструкцией корпуса,
но формой и количеством чувствительных элементов в зависимости
от целевого назначения и конструктивных особенностей аппаратуры,
в которой они .используются. Наиболее часто встречающиеся формы
чувствительных элементов показаны на рис. 8 для одно-, двух-,
трех-, четырех- и многоэлементных фоторезисторов. Чувствительные
элементы многоэлементных фоторезисторов выполняют в виде одной-
двух линеек и матрицы (мозаики).
Внешний вид некоторых конструкций фоторезисторов показан
на рис. 9.
III. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
ФОТОРЕЗИСТОРОВ
Система параметров для различных типов фоторезисторов
определяется в зависимости от характера задач, решаемых в кон-
кретных видах аппаратуры, где они находят применение.
Для многих систем релейной автоматики и экспонометрических
устройств характерно использование сравнительно больших световых
потоков, обусловливающих существенное изменение проводимости
фоторезисторов, что позволяет применять простейшие схемы изме-
рений сигнала на постоянном токе. Определяющим параметром в та-
ких случаях является кратность изменения величины проводимости
(сопротивления) при определен-
ной величине засветки.
В системах, предназначенных
для обнаружения малых лучи-
стых потоков, имеют дело
с весьма незначительными (на-
пример, 10~6 от первоначальной
величины) изменениями проводи-
мости, т. е. с величинами, сравни-
мыми с изменениями проводимо-
сти, вызываемыми случайным
движением электрических заря-
дов — собственными шумами си-
стемы. Определяющим параметром
в таких случаях является способ-
ность фоторезистора регистриро-
вать наименьшие световые или
лучистые потоки,
Рис. 10. Типовая схема вклю-
чения фоторезистора.
19
Типовой схемой включения фоторезисторов в электрическую
схему (рис. 10) является последовательное соединение источника
питания Uo, фоторезистора (на схеме он обозначен через свое тем-
новое сопротивление 7?т) и нагрузочного сопротивления /?н.
Для правильного выбора и согласования фоторезисторов с раз-
личными электронными и оптико-электронными устройствами необхо-
димо знание по крайней мере таких их основных параметров, как
темновое сопротивление RT, напряжение собственных шумов Um,
величина интегральной вольтовой чувствительности Suf диапазон
спектральной чувствительности и порог чувствительности Фп. Обычно
для измерения параметров используют установку, схематически изо-
браженную на рис. 11. Схема состоит из источника излучения 1, мо-
схему (рис. 10) является последовательное соединение источника
Рис. 11. Блок-схема установки для измерения основных параметров
фоторезисторов:
/ — источник излучения — иммитатор абсолютно черного тела (АЧТ); 2—мо-
дулирующий диск; 3 — катодный (эмиттерный) повторитель; 4 — узкополос-
ный измерительный усилитель; 5 — вольтметр; 6 — термопара; 7 — отверстие
иммитатора АЧТ.
из источника питания, фоторезистора и сопротивления нагрузки Rn,
включенной на вход измерительного усилителя 4 с выходом в виде
вольтметра 5 или осциллографа.
Для определения параметров фоторезисторов, чувствительных
в видимой области спектра, в качестве источника излучения обычно
применяют лампу накаливания с цветовой температурой 2 850°К
(источник типа А). Источник типа А нуждается в периодической
градуировке путем сравнения на оптической скамье его цветовой
температуры с эталонным источником и определения силы света
в рабочем направлении.
Для фоторезисторов, чувствительных в инфракрасной части
спектра, в качестве источника излучения чаще всего применяют им-
митаторы «абсолютно черного тела» (АЧТ) с определенной темпе-
ратурой, например, 1 000, 500 °К и др. Конструкция АЧТ представ-
ляет собой замкнутую полость, равномерно нагретую до выбранной
температуры, с небольшим отверстием для выхода излучения. Тем-
пература полости АЧТ контролируется термопарой или термометром,
20
Мощность излучения АЧТ и его спектральный состав Целиком
определяются температурой полости и могут быть рассчитаны по
законам излучения. Относительное спектральное распределение плот-
ности излучения АЧТ с различной температурой и источника типа А
представлено на рис. 12. Для перехода от относительных величин
к абсолютным значениям на рис. 12 приведены абсолютные значе-
ния спектральной плотности излучения этих источников в максимуме
Рис. 12. Относительное спектральное распределение плотности излу-
чения различных источников:
1 — источник типа А; 2,3,4 — '.ЧТ при Г=573, 590 и 373 ®К соответственно.
(2854 °К) = 2,44*101 2 вт1см2-мкм,
г\ г(373 °К)’= 9,35*10"3 BtnlcM^-MKM,
г\ (500 °К) = 4,05-Ю-2 вт/слА-мкм,
г\ (573 °К) = 8-10-2 вт[см?*мкм.
т
фана *— Больцмана общая мощность АЧТ, имеющего температуру
полости Т°К и площадь выходного отверстия S см2, составит вели-
чину
Ф=?5(7-4 * * * В * * *-.^) (19)
где о — постоянная Стефана — Больцмана (о=5,668 • 10~12 вт • см~2Х
Х°К4); То — температура окружающей среды, °К-
В пространстве распределение мощности излучения отверстия
АЧТ подчиняется закону косинуса (закон Ламберта), т. е. мощность
лучистого потока Фе в направлении 0 может быть рассчитана по
формуле
Ф0=Флсоз0, (20)
где Флт — мощность излучения АЧТ в направлении нормали к от-
верстию, равная Ф/л. Таким образом, плотность лучистого потока
21
иа расстоянии / от АЧТ может быть рассчитана как
aS (7*-^)
R =------^2------[вт/см2].
(21)
Лучистый поток от источника попадает на фоторезистор, прой-
дя через модулятор, который обычно выполняется в виде зубчатого
диска с шириной зубца и просвета, равной диаметру отверстия АЧТ.
При вращении такого диска обеспечивается практически синусои-
дальная модуляция потока излучения. Частота модуляции выбирает-
ся равной частоте, соответствующей максимуму резонансной кривой
измерительного усилителя.
Для измерения сигнала, возникающего на фоторезисторе при
его освещении, может быть использован узкополосный измеритель-
ный усилитель с малым уровнем собственных шумов. В качестве
такого усилителя могут быть использованы приборы типа У2-6 или
У2-4. Ввиду того, что эти приборы обладают низкоомным входом,
а величина темнового сопротивления фоторезисторов может дости-
гать нескольких мегом, между нагрузочным сопротивлением и вхо-
дом усилителя включают катодный повторитель.
Для градуировки электронного тракта измерительной схемы
обычно используют генератор стандартных сигналов (ЗГ-12, ГЗ-36,
Г4-18 и др.), который подключают вместо фоторезистора. При этом
определяются коэффициент усиления и ширина полосы пропускания
усилителя с катодным повторителем.
В расчетах фотоэлектрических параметров фотоприемников
обычно оперируют понятием эффективной полосы пропускания уси-
Рис. 13. К определению эффективной полосы пропуска-
ния усилителя.
лителя А/эфф. Ее величина в
быть вычислена по формуле
случае белого спектра шума может
00
^ЭФФ=-2—(*№(?) df,
''макс J
(22)
22
где /<(/)—величина коэффициента усиления схемы на частоте f',
Кмакс — величина коэффициента усиления в максимуме полосы про-
пускания резонансной кривой.
При расчете эффективной ширины полосы пропускания пола-
гают, что при максимальном коэффициенте усиления ее ширина дол-
жна быть такой, чтобы обеспечить пропускание той же мощности
шума, что и реальная полоса усилителя (см. рис. 13).
ТЕМНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Темновое сопротивление 7?т — сопротивление фоторезистора,
измеренное в отсутствие облучения |(в темноте), в оговоренных
эксплуатационных условиях. Сопротивление фоторезистора измеря-
ется методом амперметра — вольтметра, мостовым методом или с по-
Рис. 14. Схемы для
измерения внутрен-
него сопротивления
фоторезисторов ме-
тодами ампермет-
ра— вольтметра (а)
и моста (б).
мощью омметра любой марки, обеспечивающего необходимую точ-
ность измерения. IB первом случае '(рис. 44,а), замерив ток, прохо-
дящий в цепи фоторезистора, и напряжение питания, на основании
закона Ома получим
7?т —
U
1Т
(23)
При мостовом методе (рис. 14,6), меняя величину сопротивления
Ri, добиваются такого положения, чтобы ток, проходящий через
гальванометр '(микроамперметр), был бы равен нулю. Величина вну-
треннего сопротивления фоторезистора подсчитывается по формуле
RT — Ri £ •
(24)
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ВОЛЬТОВАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Рассмотрим цепочку фоторезистор—сопротивление нагрузки
Rh при воздействии на нее лучистого потока. При положении диска
модулятора, когда лучистый поток полностью перекрыт, ток в це-
почке фоторезистор — нагрузка имеет величину
/т = /?т + Ли ' (25)
23
При полностью открытом потоке
0 RT — &R -f“ Rh
где AR— изменение величины сопротивления фоторезистора при ос-
вещении.
Таким образом, при вращении диска модулятора на сопротивле-
нии нагрузки возникает переменный сигнал, полная амплитуда ко-
торого равна
U — (Т г \ R______________UqRjb^R________
Ue - (/0 - /т) /<н- + +
Если изменение темнового сопротивления под воздействием лучисто-
го потока незначительно (т. е. тогда
U0RubR
Uc~ (Rn + R.Y ’
Из этого выражения видно, что величина сигнала, измеряемого
на нагрузке, зависит от соотношения Rr и RH. Легко показать, что
наибольший сигнал может быть получен при RB = Rr, т. е. в режиме
согласованной нагрузки. В этом режиме обычно и производят изме-
рение основных параметров фоторезисторов, при этом выражение
(28) принимает вид
п - и. №
Uq- 4 R
где R=Rh=Rt-
Чувствительность фоторезистора может быть определена как
отношение величины сигнала, возникающего на нагрузочном сопро-
тивлении (в согласованном режиме), к величине лучистого потока
определенного спектрального состава, попадающего на чувствитель-
ный элемент фотопр.иемника:
si/= 7§7[e/e/re1, (30)
где Е — плотность лучистого потока, вт/см2; — площадь фоточув-
ствительного элемента, см2.
Если усилительный тракт отградуирован в эффективных значе-
ниях напряжения сигнала, то для вычисления вольтовой чувстви-
тельности измеренный сигнал следует умножить на 2 V 2, так как
AR соответствует двойной амплитуде синусоидального сигнала. С уче-
том (21) полное выражение для расчета величины вольтовой чув-
ствительности принимает вид
2 /2 Ujil*
a(T*—T^)Sq$
[в/вт].
(31)
Рассчитанную таким образом величину с учетом сигнала, изме-
ренного при напряжении на фоторезисторе, равном рабочему, и со-
24
гласованной нагрузке принято называть интегральной вольтовой чув-
ствительностью.
Из рассмотренного следует, что величина вольтовой чувствитель-
ности пропорциональна величине напряжения, приложенного к це-
почке фоторезистор — нагрузка, и обратно пропорциональна площади
чувствительного элемента.
ЧАСТОТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Выбор частоты модуляции лучистого потока также сказы-
вается на величине вольтовой чувствительности. На рис. 15 приведе-
ны частотные характеристики различных типов фоторбЗисторов, по-
строенные в относительном масштабе. Величина чувствительности
на частоте f может быть определена по формуле
uf К1 + (2ф)2 '
где SUq — величина чувствительности в отсутствие модуляции или
при малой частоте модуляции; т — постоянная времени фоторезисто-
ра. Величина г может быть определена из частотной характеристи-
ки фоторезистора
(33)
где /гр — частота модуляции лучистого потока, при которой величи-
на сигнала снижается в е раз.
Величина т характеризует инерционность фотоприемника и свя-
зана с временем жизни носителей в полупроводниковом чувстви-
Частата модуляции f9 гц
Рис. 15. Частотные характеристики фоторезисторов:
/) CdS; 2) CdSe; 3) PbS (77 °К); 4) PbS (195 °К); 5) PbSe (195 °К);
6) PbS (295 °К); 7) Ge: Au (77 °K); 8) PbSe (77 °K); 9) PbSe (295 °K);
10) InSb (77 °K).
тельном элементе. В простейшем случае собственного полупроводни-
ка т равна времени жизни носителей. Как правило, связь т
с тР и тп носит более сложный характер.
Таким образом, при сравнении между собой различных фото-
резисторов в отношении их чувствительности к какому-либо источ-
нику излучения необходимо учитывать рабочее напряжение, разме-
ры чувствительного элемента и частоту модуляции лучистого потока.
25
Более удобным для сравнения являются удельные величины вольто-
вой чувствительности, т. е. величины, приведенные к напряжению
на цепочке в lie и величине площадки в 1 см2:
sv =S0 -#-[см*/вт], (34)
УД и
где уф — площадь фоточувствительного слоя, см2.
СПЕКТРАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Более полную информацию о свойствах фоторезистора можно
получить,, зная его монохроматическую чувствительность , т. е.
отношение напряжения сигнала к падающему на чувствительную
площадку фотоприемника потоку монохроматического излучения:
ч - -fc? 1351
Величина может быть измерена непосредственно в схеме,
показанной на рис. 11, если вместо иммитатора АЧТ использовать
источник монохроматического излучения, например, лазер с опре-
деленными длиной волны и мощностью потока. Обычно опре-
деляют из 'спектрального распределения чувствительности, т. е. кри-
вой зависимости монохроматической чувствительности от длины
волны падающего излучения. Для снятия такой кривой в качестве
источника излучения обычно используют силитовый стержень, на-
гретый до температуры 1 200—1 400°К '(глобар), в сочетании с мо-
нохроматором. Монохроматор с помощью диспергирующей призмы
позволяет выделять излучение с различной длиной волны и извест-
ной мощностью. Измерив величину напряжения сигнала с помощью
схемы, изображенной на рис. 4'1, и отнеся ее к величине падающего
на фотоприемник потока монохроматического излучения различной
длины волны, получают его абсолютную спектральную характеристи-
ку чувствительности
(36)
На спектральной характеристике выделяют характерные точки,
которые соответствуют максимальной монохроматической чувстви-
тельности фотоприемника (%=%Макс) и чувствительности, равной 0,1
от максимальной (%=%i — коротковолновая граница чувствительно-
сти и %=Хг — длинноволновая граница чувствительности).
Часто для сравнения между собой различных фотоприемников
используют их относительные спектральные характеристики (рис. 16).
Такие характеристики могут быть построены, если отнести'Ординаты
кривой — f (X) к $иуыакс- Таким образом, относительная моно-
хроматическая чувствительность определяется как
S(X) = -j-------. (37)
^Хмакс
26
Рис. 16. Относительные характеристики спектральной чувствительно-
сти фоторезисторов на основе собственной (а) и примесной (б)
фотопроводимостей:
/) CdS; 2) CdSe; 3) PbS (295 °К); 4) PbS (195 °К); 5) PbS (77 °К);
6) PbSe (295 °К); 7) InSb (77 °К); 8) PbSe (77 °К); 9) InSb (295 °К);
10) Ge : Au (60 °K); 11) Ge : Hg (27 °K); /2) Ge : Cd (23 °K);
13) Ge : Cu (15 °K); 14) Ge : Zn (4 °K).
Практически относительная спектральная характеристика опре-
деляется только выбором материала чувствительного элемента, по-
этому во многих случаях она заранее известна. Это дает возмож-
ность рассчитать абсолютную спектральную характеристику чувст-
74
вительности, если известна величина интегральной вольтовой чув-
ствительности, измеренная по какому-либо источнику. Для этого до-
статочно рассчитать $с^макс из выражения
— ~г
иХмакс А.
где
оо
о
(38)
(39)
оо
d\
носит название коэффициента использования потока; — относитель-
ная спектральная плотность излучения источника, по которому опре-
делялась S (X)— относительная спектральная чувствительность
фоторезистора.
Следует отметить, что величина Sy в отличие от не за-
ЛМЭКС
висит от типа источника, по которому производилось измерение
чувствительности, и поэтому более удобна для сравнения фотопри-
емников различных типов.
НАПРЯЖЕНИЕ ШУМОВ ФОТОРЕЗИСТОРОВ
При достаточной чувствительности измерительного усилителя
на нагрузочном сопротивлении RB можно зарегистрировать некото-
рое напряжение сигнала даже в отсутствие излучения от источника.
Это напряжение обусловлено наличием собственных шумов фоторе-
Рис. 17. Схематическое изо-
бражение распределения
спектра мощности шума
фоторезисторов:
/ — избыточный шум со спектром
1/f; 2 — область, где преобладает
генерационно-рекомбинационный
шум; 3 — область, где преобладает
тепловой шум.
зистора. Если с помощью узкополосного перестраиваемого по часто-
те усилителя измерить мощность напряжения шумов при различной
частоте, то можно получить так называемый спектр мощности шума
фоторезистора. Характер изменения спектра, шума фоторезистора
изображен на рис. 17.
Анализ спектра шума показывает, что в фоторезисторах в ос-
новном наблюдаются три вида шумов: тепловой, или шум Джонсо-
28
на, генерационно-рекомбинационный и избыточный шум, имеющий
спектр вида 1/f.
Величина собственных шумов определяет тот минимальный по-
ток излучения, который еще .в состоянии зарегистрировать фоторе-
зистор, т. е. его пороговую чувствительность. Применяя специальные
конструктивные меры по снижению шумов и глубокое охлаждение
чувствительного слоя, величину собственных шумов можно сделать
достаточно малой. Однако даже если предположить, что собственные
шумы полностью исключены, пороговая чувствительность фоторези-
стора будет ограничена шумами, вызываемыми флюктуациями излу-
чения фона (радиационными шумами). Рассмотрим кратко меха-
низм возникновения шумов различного типа.
Тепловой шум, называемый иногда шумом Джонсона, возникает
вследствие случайного движения носителей заряда в металлах и
полупроводниках, находящихся в тепловом равновесии с окружаю-
щей средой. Характерными признаками теплового шума являются
независимость амплитуды шумового напряжения от частоты (так
называемый «белый шум») и приложенного к фоторезистору напря-
жения.
Среднеквадратичное значение напряжения шума, возникающее
на чувствительном элементе фоторезистора, может быть вычислено
по формуле Найквиста
UT =^4kTRtsr [в], (40)
где k — постоянная Больцмана, равная 1,38 • 10~23 вт • сек.1 град, Т —
температура чувствительного элемента, °К; Rr— величина омическо-
го сопротивления чувствительного элемента, ом; &f — ширина поло-
сы пропускания усилительного устройства, гц. При комнатной тем-
пературе
14= 1,28-10->• Кодл (41)
Как видно из рис. 17, тепловой шум может ограничить порого-
вую чувствительность на сравнительно высоких частотах.
Генерационно-рекомбинационный шум. Этот вид шума вызыва-
ется статистическими флюктуациями скоростей генерации и реком-
бинации носителей заряда, что приводит к флюктуациям концентра-
ции свободных носителей в зонах. Известно, что генерация носителей
из заполненной зоны или примесных уровней может происходить
как следствие забросов электронов в зону проводимости в результа-
те взаимодействия с тепловыми колебаниями решетки, так и путем
взаимодействия с квантами падающего на фоторезистор излучения.
В соответствии с этим различают компоненты генерационно-рекомби-
национного шума, вызванного термическим или радиационным воз-
буждением.
При достаточно глубоком охлаждении составляющая шума, вы-
званная термическим возбуждением, может быть сделана много
меньшей, чем радиационная составляющая. В этом случае (при от-
сутствии других видов шума) достигается так называемый режим
ограничения фоном, т. е. пороговая чувствительность фоторезистора
начинает ограничиваться шумами, вызванными флюктуациями излу-
чения окружающего фона.
4—1504 29
СпёктраЛЬнук» плоТнОстЪ мощности генераЦИоино-рекомбинацйОй-
його шума можно вычислить из выражения
2 2тЛ/
К1 + (2ф)2
где N— концентрация носителей, обусловленная термической иони-
зацией и излучением фона, см~3; U — напряжение на чувствительном
элементе, в; р,— подвижность носителей, см2/в-сек-, е — заряд элек-
трона, к; г — время жизни носителей (определяется 'соотношением
скоростей термической и радиационной генерации носителей), сек.
Генерационно-рекомбинационные процессы в полупроводниках
происходят с определенной постоянной времени т. Поэтому ампли-
туда этого шума остается практически постоянной только для ча-
стот f <С4/2лх При больших частотах шумы существенным образом
зависят от частоты; по мере ее увеличения шумы уменьшаются.
Радиационный (фотонный) шум. Фоторезисторы обладают до-
статочной чувствительностью не только к излучению специальных
источников, но и к излучению окружающего фона в широком диа-
пазоне спектра. Поэтому даже в отсутствие излучения от специаль-
ного источника в чувствительном элементе фоторезистора постоянно
происходит процесс генерации носителей тока, приводящий к соот-
ветствующему изменению проводимости. Допустим, что на чувстви-
тельный элемент фоторезистора за одну секунду попадает п квантов.
Если проследить за темпом поступления квантов в более короткие
последовательные и равные интервалы времени, то можно заметить,
что количество поступающих квантов в них различно, хотя, в сред-
нем, при этом обеспечивается поступление й квантов за одну се-
кунду. Эти случайные отклонения числа квантов от их среднего
значения '(флюктуации) и обусловливают появление радиационного
(фотонного) шума фоторезисторов. Величину этого шума можно
вычислить. Известно, что среднеквадратичное отклонение числа кван-
тов от среднего значения пропорционально общему числу квантов
в потоке
Ди2 — п. (43)
Общее количество квантов, участвующих в процессе генерации
носителей, можно рассчитать из спектрального распределения мощ-
ности излучения фона и относительного спектрального распределения
чувствительности фоторезистора. Их число будет пропорционально
величине эффективного потока излучения .фона (коэффициент ис-
пользования излучения фона). Далее, зная квантовую эффективность
(число носителей, генерируемых на один квант падающего на фото-
резистор излучения), можно определить среднеквадратичную флюк-
туацию проводимости образца, т. е. величину радиационного шума
фоторезистора.
Радиационный шум по воздействию не отличается от полезного
сигнала, а поэтому он подвергается такому же преобразованию со
стороны фоторезистора, как и сигнал. Спектральная плотность мощ.
ности радиационного (фотонного) шума на выходе фоторезистора
равна
(7^=8^, (44)
30
где q$—площадь фоточувст.вительного элемента, см2; Тф— темпе-
ратура фона, °К; Su—коэффициент преобразования (интегральная
вольтовая чувствительность) фоторезистора, в/вт.
Избыточный шум со спектром вида 1/f. Механизм возникнове-
ния избыточного шума со спектром вида 1/f окончательно не выяе-
нен. Обычно считается, что появление сильно выраженной состав-
ляющей шума со спектром il/f связано с недостатками в технологии
изготовления контактов к чувствительному элементу и обработки его
поверхности.
Избыточный шум ограничивает пороговую чувствительность фо-
торезисторов на низких частотах, где его величина значительно пре-
вышает остальные шумы (в отдельных случаях на 1—2 порядка)’.
Причем его величина возрастает пропорционально квадрату тока,
протекающего через фоторезистор (иногда их называют также токо-
выми шумами).
Спектральную плотность мощности избыточного шума можно
представить в виде выражения
где k, |0, а — постоянные коэффициенты, величина которых опреде-
ляется на основании эксперимента (£~2, а~1).
Измерение напряжения шумов фоторезистора при отсутствии
облучения производится по схеме, показанной на рис. 11. Численное
значение напряжения шумов фоторезистора определяется по фор-
муле
= V Ul~Uy (46)
где — эффективное значение напряжения шумов фоторезистора
совместно с усилительным трактом, приведенное ко входу усилите-
ля; (7У — эффективное значение напряжения шумов усилительного
тракта, замеренное при закороченном фоторезисторе и приведенное
ко входу усилителя.
ПОРОГ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Ранее упоминалось, что пороговая чувствительность фоторе-
зистора ограничивается величиной его собственных шумов и опре-
деляет тот минимальный поток излучения, который он может заре-
гистрировать. (Порог чувствительности — минимальная величина лу-
чистого потока определенного спектрального состава, падающего на
фоторезистор, которая на его выходе создает сигнал, равный напря-
жению шумов. Численно он равен отношению напряжения шумов
к интегральной чувствительности
Фп=-^Е-[в/и]. (47)
Величина иш, входящая в выражение (47), зависит от ширины
полосы пропускания измерительного устройства и положения (на
шкале частот) максимума полосы пропускания. Поэтому для харак-
теристики чувствительности фоторезистора вне зависимости от типа
4* 31
измерительного устройства (т. е. от его полосы пропускания &f)
используют величину порога чувствительности, приведенного к еди-
ничной полосе пропускания (Af=il гц)\
<48)
Частота, при которой выбирается единичная полоса пропускания,
соответствует максимуму полосы пропускания усилителя и, следо-
вательно, частоте модуляции лучистого потока.
В последнее время наибольшее распространение получает нор-
мированный (удельный) порог чувствительности, отнесенный к еди-
ничной полосе пропускания и единичной площади фоточувствитель-
ного элемента >(>1 с;и2):
фп (1еЧ, [вти/гц1/2 -см], (49)
где — площадь фоточувствительного элемента, cjw2.
Чем меньше по абсолютной величине Фпц гц, i см2), тем лучшей
чувствительностью обладает фоторезистор. Величина, обратная
удельному порогу чувствительности, называется удельной обнару-
жительной способностью:
D* = ф-------!-----= —и и [см • гц1 /2 /вш]. (50)
Последние два параметра в отличие от порога чувствительности,
определяемого согласно выражений (47) и (48), позволяют сравни-
вать любые фоторезисторы для заданных условий измерений. К чи-
слу этих условий относятся температура излучателя и частота мо-
дуляции лучистого потока. Эти условия записываются при буквен-
ном обозначении параметра. Например, запись вида Фп (500 °К, 900,
1,2л) означает, что приводится удельный порог чувствительности
фоторезистора, замеренный по излучению «абсолютно черного тела»
(АЧТ) с Т=500°К на частоте модуляции 900 гц, приведенный к по-
лосе пропускания Af=l гц, в телесном угле 2л стер.
Зная удельный порог чувствительности Фп или величину обнару-
жительной способности £>*, легко вычислить порог чувствительности
фоторезистора при любых размерах чувствительного элемента в схе-
ме с известной шириной полосы пропускания усилителя.
Наиболее полную информацию о чувствительности фоторезисто-
ров можно получить из спектрального распределения удельной обна-
ружительной способности, т. е. = f(X). Оно может быть
построено, если известны относительное спектральное распределение
чувствительности и величина коэффициента использования излуче-
ния. Для этого достаточно вычислить — величину ' удельной
m
обнаружительной способности в максимуме спектральной характе-
ристики по соотношению
где Ки — уже известный нам коэффициент использования излучения.
32
ПАРАМЕТРЫ ФОТОРЕЗИСТОРОВ, РАБОТАЮЩИХ
ПРИ БОЛЬШИХ СВЕТОВЫХ ПОТОКАХ
Фоторезисторы, работающие в условиях больших световых
потоков, характеризуются достаточно большими изменениями токов,
протекающих в их цепи, и внутреннего сопротивления. 'Представите-
лями этой группы являются фоторезисторы из сернистого и селе-
нистого кадмия. Поэтому -основная часть системы их параметров по-
строена на учете количественных изменений этих двух параметров.
Измерение параметров фоторезисторов такого типа производится
в режиме короткого замыкания (Лн=0) от источника немодулиро-
ванного излучения (источник типа А), как это показано на рис. 18.
Необлученный (неосвещенный) фоторезистор характеризуется
двумя параметрами — темновым током и темновым сопротивлением.
Темновой ток /т— это ток, протекающий в цепи необлученного
(неосвещенного) фоторезистора,, при приложении к нему рабочего
напряжения. Измеряется в микроамперах.
Темновое сопротивление (Лт, ом) определяется теми же метода-
ми, что и для фоторезисторов первой группы.
Ток, протекающий в цепи фоторезистора при его освещении
(облучении) и подаче на него рабочего напряжения, называется
Рис. 18. Схема измерения пара- 1 р _
метров фоторезисторов типа CdS а * Г пЛ
и CdSe: Z ~ ЦТ/
/ — источник излучения типа А; 2— ..
фоторезистор; 3—микроамперметр. I Ц?
световым током (1сь), а внутреннее сопротивление освещенного фо-
торезистора называется световым сопротивлением и обозначается че-
рез /?св.
Световое сопротивление фоторезисторов из группы сернистого
и селенистого кадмия (CdS, CdSe) по сравнению с темновым умень-
шается в 102—106 раз в зависимости от конкретного типа фоторе-
зистора. Степень изменения внутреннего сопротивления фоторезисто-
ра при его облучении количественно оценивается параметром, на-
зываемым кратностью изменения сопротивления и определяемым по
одной из приведенных формул
К = А-или (52)
/\сж /т
Величины /Св, Лев и К зависят от уровня лучистого потока,
воздействующего на фоторезистор. Поэтому их численные значения
находят при определенных значениях освещенности. Как правило,
величина освещенности берется равной 200 лк, для некоторых типов
фоторезисторов — 300 лк.
Приращение тока, протекающего в цепи фоторезистора при
облучении его лучистым потоком и подаче на него рабочего напря-
жения, называется фототоком. Численно он равен разности между
световым и темновым токами
/ф=/св—/т. (53)
33
Отношение фототока к вызвавшему его появление лучистому потоку
носит название интегральной токовой чувствительности
st = ~^ = /ев ф /т [мка/лм], (54)
где Ф — лучистый поток, лм.
Степень воздействия температуры окружающей среды на пара-
метры фоторезисторов оценивается величиной температурного ко-
эффициента светового тока i(TK), представляющего собой относи-
тельное изменение светового тока фоторезистора при изменении
температуры окружающей среды на il °C:
(S5)
где /Св1 и /Св2 — световые токи в цепи фоторезистора при темпера-
туре Л и ti соответственно.
Характерной особенностью фоторезисторов из сернистого и селе-
нистого кадмия является возможность получения значительного по
величине светового тока. Последний, проходя через фоторезистор,
вызывает нагрев, который в отдельных случаях (когда величина то-
ка превышает допустимое значение) может привести к необратимому
росту темнового тока и снижению фототока. Поэтому каждый фото-
резистор обладает вполне определенным значением допустимой мощ-
ности рассеяния, т. е. наибольшей электрической мощностью, рассеи-
ваемой в фотоприемнике, при которой отклонение его основных па-
раметров не превышает оговоренных пределов при длительной рабо-
те фоторезистора в заданных эксплуатационных условиях.
Величина допустимой мощности рассеяния определяется многи-
ми факторами: свойствами и размерами чувствительного элемента,
теплоотводами и т. д.; поэтому ее величина устанавливается экспе-
риментально.
ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ
Одним из основных параметров фоторезисторов на основе
CdS и CdSe является постоянная времени.
Ранее указывалось, что оценку инерционности фоторезистора
можно производить по спаду частотной характеристики фотосигнала
[см. <(33)]. Для фоторезисторов на основе CdS и CdSe чаще исполь-
зуют метод измерения инерционности по П-образному импульсу,
что более соответствует реальным условиям их применения.
Метод заключается в следующем: фоторезистор включается
в схему, позволяющую наблюдать изменение светового тока на экра-
не осциллографа. На фоторезистор подается одиночный импульс
света, длительность которого достаточна, чтобы фототок достиг зна-
чения, соответствующего длительному освещению. /При этом на эк-
ране осциллографа наблюдают кривую нарастания или ,(после пре-
кращения импульса) спада фототока. Постоянную времени нараста-
ния тн и спада тсп фототока определяют пометкам времени,соответ-
ствующим увеличению или спаду фототока в е раз. Как правило,
34
tH Й ten для фоторезисторов на основе CdS и CdSe различны, по-
этому для характеристики их инерционности приводят обе эти ве-
личины.
Процесс нарастания и спада сигнала при воздействии на фото-
резистор импульса лучистого потока прямоугольной формы зависит
от концентрации носителей |(равновесных и неравновесных) и харак-
тера процесса рекомбинации. При линейной рекомбинации (интен-
сивность рекомбинации пропорциональна первой степени концентра-
ции неравновесных носителей) процесс нарастания и спада сигнала
происходит по экспоненциальному закону с одинаковой постоянной
времени (рис. 19,6). В случае квадратичной рекомбинации (интен.
сивность рекомбинации пропорциональна квадрату концентрации не-
равновесных носителей) нарастание сигнала идет быстрее, чем спад,
в результате чего постоянные времени тн и тсп отличаются друг от
друга (рис. 19,в). Инерционность фоторезисторов зависит от вели-
Рис. 19. Характер нарастания и спада напряжения сигнала при воз-
действии на фоторезистор импульса света прямоугольной формы (а)
для случая линейной (6) и квадратичной (в) рекомбинаций.
чины освещенности, температуры, а также от того, при какой осве-
щенности хранился фоторезистор перед измерениями. Поэтому при
оценке инерционности обычно указывают величину освещенности, при
которой она производилась. Часто указывается также режим хра-
нения фоторезистора перед измерениями.
35
ВОЛЬТОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Вольтовые характеристики определяют изменение выходного
сигнала (тока или напряжения), темнового тока, напряжения шумов
и порога чувствительности фоторезистора от величины приложенного
к нему напряжения.
Применительно к фоторезисторам кадмиевой группы (CdS и
CdSe) зависимости тока от напряжения носят название вольтампер-
ных характеристик темнового или светового тока. Вольтамперные
характеристики светового и темнового токов сернисто-кадмиевых и
селенисто-кадмиевых фоторезисторов имеют линейную зависимость
Рис. 20. Зависимость светового тока фоторезистора ФСК-П1 (а) и
напряжения сигнала и шума фоторезистора на основе PbSe (б) от
напряжения питания.
в достаточно широкой области изменения рабочих напряжений. При
изменении уровня освещенности они изменяют лишь угол наклона
(рис. 20,а).
Для фоторезисторов, чувствительных в инфракрасной части
спектра, предназначенных для обнаружения малых потоков излуче-
ния, более важной является зависимость от напряжения величины
шума. Как правило, эта характеристика становится нелинейной при
меньших напряжениях, чем характеристики для фотосигнала, что
приводит к ухудшению пороговой чувствительности (рис. 20,6). Это
накладывает ограничение на величину рабочего напряжения, кото-
рое выбирается в пределах линейной зависимости шума от напря-
жения.
Для фоторезисторов из CdS и CdSe линейность вольтамперной
характеристики нарушается за счет нагрева чувствительного слоя
(при больших освещенностях) при превышении величины допустимой
мощности рассеяния. При малых уровнях освещенности вольтампер-
ная характеристика линейна в широких пределах. Рабочее напря-
жение для фоторезисторов такого типа устанавливается эксперимен-
тально с учетом допустимой мощности рассеяния и запаса по про-
бивному напряжению.
36
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Энергетические характеристики показывают зависимость изме-
нения сигнала на выходе фоторезистора от величины падающего на
него лучистого (светового) потока. Для фоторезисторов видимого
диапазона эти характеристики известны под названием люксампер-
ных характеристик, для фоторезисторов инфракрасного диапазона —
вольтваттных характеристик.
Энергетические характеристики фоторезисторов (рис.. 21), как
правило, нелинейны. Линейная зависимость светового тока (напря-
Рис. 21. Энергетические (люкс-
амперные) характеристики фото-
резисторов типа ФСК-П1 при раз-
личном напряжении питания.
жения сигнала) от величины лучистого потока наблюдается только
при малых значениях последнего. При больших освещенностях на-
блюдается уменьшение наклона кривых, световой ток растет пример-
но пропорционально корню квадратному из освещенности.
КРИТЕРИЙ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ФОТОРЕЗИСТОРОВ
Качество любого фотоприемника (фоторезистора) в отноше-
нии его способности регистрировать наименьшие лучистые потоки
может быть оценено путем сравнения его обнаружительной способ-
ности с обнаружительной способностью идеального фотоприемника.
Такой фотоприемник представляется имеющим следующие пара-
метры:
— квантовая эффективность равна единице во всей области
чувствительности, вплоть до граничной длины волны %Гр/
— при Х>ХГр квантовая эффективность равна нулю;
— > собственные шумы отсутствуют.
Предположим, что такой фотоприемник облучается от моно-
хроматического источника с длиной волны X и находится в про-
странстве с температурой фона 290 °К, т. е. в чувствительном эле-
менте фотоприемника происходит генерация носителей, вызванная
как излучением фона, так и монохроматическим излучением источни-
ка сигнала. Рассматривая природу радиационного шума, мы устано-
вили, что в ее основе лежит флюктуация числа квантов, попадаю-
щих на фотоприемник, причем величина среднеквадратичной флюк-
туации Ап2 определяется средним числом квантов, попадающих на
приемник от излучения фона,
37
Будем исходить из общего представления о пороговой чувстви-
тельности как о величине потока, создающего сигнал, равный шуму
фотоприемника. Тогда минимальная мощность монохроматического
излучения, которую еще может обнаружить такой идеальный прием-
ник, будет определяться величиной монохроматического лучистого по-
тока, содержащего число квантов, равное среднеквадратической
флюктуации числа квантов, поступающих от фонового излучения.
Число квантов, поступающих от излучения фона, легко подсчитать —
оно будет равно числу квантов, излучаемых АЧТ с температурой
290 О,К в области до длины волны ^Гр-
|По мере перемещения длинноволновой границы идеального при-
емника в сторону больших длин волн будет требоваться все более
Рис. 22. Зависимость величины фонового излучения от граничной
длины волны чувствительности фоторезистора.
мощный монохроматический поток излучения цели, чтобы превысить
флюктуации возрастающего числа квантов, поступающих от излу-
чения фона. Это видно из рис. 22.
Монохроматическая обнаружительная способность идеального
фотоприемника может быть определена по формуле
d\=—iX—>
х Tzv V 4G
(56)
где (3— квантовая эффективность; v — частота, соответствующая
длине волны А оптического излучения; q — площадь рекомбинации;
G — средняя скорость генерации носителей.
Соответствующая кривая, характеризующая максимальную обна-
ружительную способность фоторезисторов к монохроматическому из-
лучению, ограниченную только флюктуациями числа квантов излу-
чения фона с температурой 290 °К, показана на рис. 23 в виде пунк-
тирной линии. Степень приближения к этой кривой реально достиг-
нутой величины обнаружительной способности и является критерием
оценки качества фоторезистора.
Уже указывалось, что путем охлаждения чувствительных эле-
ментов фотоприемники могут быть приведены в режим ограничения
фоном, т. е. в режим, когда их обнаружительная способность будет
ограничиваться шумами, создаваемыми фоновым излучением, как
вследствие флюктуации числа квантов, так и вследствие флюктуации
скорости генерации и рекомбинации носителей.
В ряде случаев /когда это не приводит к ухудшению других
тактико-технических требований аппаратуры) обнаружительная спо-
собность фоторезистора может быть существенно улучшена, если
сузить область его спектральной чувствительности или уменьшить
апертурный угол поля зрения. Этого можно достичь путем установки
охлаждаемой диафрагмы, которая ограничивает размеры пространст-
Рис. 23. Спектральное распределение обнаружительной способности
реальных фоторезисторов и идеального фотоприемника (номера кри-
вых соответствуют номерам фоторезисторов, указанным в табл. 2).
39
Рис. 24. Влияние апертурного
угла на величину обнаружи-
тельной способности фоторези-
стора на основе сурьмянистого
индия:
1) 0=10°; 2) 0=60°; 3) 0=180°.
Рис. 25. Обнаружительная спо-
собность фоторезистора на
основе германия, легированно-
го золотом:
1 — с фильтром; 2 — без фильтра.
ва, откуда приходит излучение фона, или путем установки узкопо-
лосного охлаждаемого фильтра, ограничивающего излучение фона
в спектральном отношении. Примеры такого увеличения обнаружи-
тельной способности приведены на рис. 24 и 25.
Увеличение обнаружительной способности за счет сужения угла
поля зрения может быть выражено соотношением
где 0 — телесный угол, соответствующий апертуре фотоприемника;
—обнаружительная способность фотоприемника при апертуре,
равной л.
ЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФОТОРЕЗИСТОРОВ
Основные параметры современных фоторезисторов приведены
в табл. 2, 3 и 4. Приведенные в табл. 3 значения параметров серни-
сто-кадмиевых и селенисто-кадмиевых фоторезисторов соответствуют
значениям, указанным в технических условиях на отдельные типы
фоторезисторов. На самом деле для подбавляющего большинства при-
боров их параметры существенно лучше. Так, например, среднее
значение светового тока примерно в два раза больше, чем дано
в табл., а средние значения темновых токов значительно меньше —
в 3—10 раз, а в отдельных случаях и более.
Численные значения удельной чувствительности, представленные
в табл. 4, позволяют определить значение интегральной'вольтовой
чувствительности фоторезистора с любым размером его фоточувст-
вительного элемента и при любом напряжении питания. Для этого
достаточно воспользоваться следующим выражением:
$и I
Q ____ УД
Чф “ <7ф
40
Таблица 2
Основные параметры фоторезисторов, чувствительных в инфракрасной области спектра
(по материалам зарубежной печати [3,4,7,9,10J)
Вид фоторезистора Рабочая температура фоточувстви- тельного элемента т, °к Длина волны, соответствую- щая макси- мальной чувст- вительности Хт, мкм Обнаружительная способность в максимуме чувствительности D\ » см-гц/ь-впг1 Обнару жите л ьная способность D* (500°К, 1000, 1), см-гц1*-вт‘1 Темновое сопротивление /?т, ом Постоянная времени т, сек Номер кривой на рис. 23
PbS 295 2,5 8-Ю10 4-108 1-Ю6 з-ю-* 1
PbS 195 2,7 4 -1011 6,5-Ю8 1-108 5-10-» 2
PbS 77 3,1 2-1011 4-10® 2-Ю6 3-10-* 3
PbSe 295 3,4 2*10® 6-10’ 2-Ю6 2-10-’ 4
PbSe 195 4,1 2- Ю10 210» 5-Ю6 3-10-' 5
PbSe 77 4,8 3. Ю10 4-10» 5-Ю6 4-Ю*5 6
InSb 295 6,8 2-108 7-107 2-Ю4 2-10-» 7
InSb 195 5 2,5-10® 5-108 1,2-102 1-10-’ 8
InSb 77 5,3 8-Ю10 МО10 1-Ю4 6-10-» 9
Ge: Au 60 5,0 МО10 4-10» 1-105 1 • ю-’ 10
Ge:Au, Sb 77 1,5 2,5-1010 (Змкм) 2,9-10» 1 1-Ю-4 11
Ge:Zn 4,2 36 2,5-Ю10 1-10» 2,5-10б 2-10 -8 12
Ge:Zn, Sb 50 12 3-10» 1-10» — — 13
Ge:Cu 4,2 23 3-Ю10 1-Ю10 1-Ю5 5-10-’ 14
Ge:Hg 27 10,5 2-Ю10 6-10® МО5 2-10-’ 15
Ge: Cd 4,2 16 2-1010 — 1-Ю5 1-10-’ 16
Si: Sb 4,2 20 1-Ю10 — 7-10® 1-10-’ 17
HgCdTe 77 10,6 5-10® — 2,5-104 <l-10-“ 18
In As 295 3,6 1,4-108 1,4-10’ — 2-10-’ 19
Таблица 3
Основные параметры некоторых сернисто-кадмиевых и сел&нисто-хадмиевых фоторезисторов [6]
Мате- риал Тип фото- резистора Рабо- чее напря- жение £7, в Допу- стимая мощ- ность рассея- ния Р макс’ вт Темнсвсе сопротив- ление R. т ом, не менее Тем- новой ток 1Т’ мка, не более Свето- вой ток 7св’ мка, не менее Постоянная времени по нарастанию светового тока тн’ С£К> не более Постоянная времени по спаду свето- вого тока т , сгк, СП’ ’ не более Кратность изменения сопротив- ления, К, не менее Температурный коэффициент светового тока ТК, %/вС Освещен- ность, при которой измерялись параметры, лк
ФСК-П1 100 0,1 108 1 1000 — — 1000 (^ср= =2-105) — —
CdS СФ2-4 СФ2-5 5 1,3 0,01 0„025 1,5-10’ ЫО6 3 1,3 200 500 0,05 0,02 0,035 0,05 70 400 +0,3-=—0,7 (_60^-+70 °C) —0,2-=-+0,4 (—60^+70 °C) 300 300
СФ2-8 100 0,125 108 1 1000 2,5-10"2 3-Ю"2 1000 +(0,34-0,4) 200
СФ2-12 5 0,01 1,5-10’ 0,3 200 2,5.10-2 2,5-10-2 700 +(0,25—0,3) 300
СФЗ-1 20 0,01 3-10’ 0,5 1500 — — 3000 — —
CdSe СФЗ-5 2 0,05 108 1 500 ЫО’2 МО"2 500 —1,5 200
СФЗ-8 20 0,025 2-10’ 1 500 ЫО*2 1,5-10-2 500 ±(0,3-?-0,4) 200
где Sy —интегральная вольтовая чувствительность фоторезистора,
имеющего площадь фоточувствительного элемента, равную q$ см2,
в/вт; Sy - — удельная вольтовая чувствительность фоторезистора,
см2!вт\ (7ф — напряжение на фоточувствительном элементе, в.
Таблица 4
Величины удельной вольтовой чувствительности и темновых
сопротивлений для некоторых видов фоторезисторов
Вид фотерезистора Рабочая температу- ра, °K Темновое сопротивле- ние (на квадрат) /?т Мом Удельная вольтовая чувствительность при fMoB=400 гЧ- уд см2‘вт~1 Температу- ра черного тела ГАЧТ» °К
PbS (хим.) 293 0,05—2 8—20 573
PbS (физ.) 293 0,05—2 12—30 573
PbS 195 0,5—5 30—40 573
PbS 77 1—20 400 573
PbSe 293 5-10-’4- -4-5-10-2 0,1—1,0 573
PbSe 195 5 0,6—5 573
PbSe 77' 5 1—15 573
InSb 77 10-2 4 373
Ge: Au(^) 77 1 4 373
Ge:(Zn, Sb) 55 — 2,5 373
Ge:Cu (p) 16 0,1 6,5 373
В качестве иллюстрации рассмотрим следующий пример.
Определить значение интегральной вольтовой чувствительности
фоторезистора на основе сурьмянистого индия, если к его фоточув-
ствительному элементу размером 0,1 ХОД мм приложено напряже-
ние 5 в.
Решение:
4-5
$и = 0,0001 = ^’Ю5 в/вт.
IV. ВЛИЯНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ
НА ПАРАМЕТРЫ ФОТОРЕЗИСТОРОВ
В процессе эксплуатации фоторезисторы подвергаются воздей-
ствию таких факторов, как температура окружающей среды, время,
механические воздействия, фоновые засветки, повышенное напряже-
ние и т. д. Воздействие этих факторов приводит к обратимым и
необратимым изменениям параметров фоторезисторов, что необходи-
мо учитывать при конструировании и длительной эксплуатации аппа-
ратуры, в которой используются фоторезисторы.
Наибольшие изменения параметров фоторезисторов происходят
при изменении температуры окружающей среды. В реальных усло-
виях эксплуатации температура окружающей среды может изме-
няться от +60 до —60 °C. Характер изменения основных параметров
неохлаждаемых фоторезисторов на основе сернистого свинца при
изменении температуры окружающей среды показан на рис. 26.
Как правило, увеличение температуры приводит к резкому ухуд-
шению основных фотоэлектрических параметров — снижению вольто-
вой чувствительности и увеличению величины потока, который еще
может зарегистрировать фоторезистор ((ухудшение порога чувстви-
тельности). Величина напряжения шума при измерениях с усилите-
лем, имеющим максимум полосы пропускания на сравнительно низ-
ких частотах, изменяется незначительно, так как на этих частотах
еще преобладают избыточные шумы со спектром 1//, а они слабо
зависят от температуры. Параметры охлаждаемых фоторезисторов
зависят от температуры окружающей среды в значительно меньшей
степени. Причем изменение параметров вызывается главным обра-
Рис. 26. Влияние окружающей
температуры на параметры не-
охлаждаемых сернисто-свин-
цовых фоторезисторов.
зом увеличением фоновой засвет-
ки от окружающей среды. Для
большинства типов фоторезисто-
ров кратковременное воздействие
окружающей среды с температу-
рой не выше 554-60°С вызывает
лишь обратимые изменения пара-
метров фоторезисторов.
В процессе длительной экс-
плуатации и хранения параметры
фоторезисторов претерпевают не-
обратимые изменения вследствие
физико-химических процессов, про-
исходящих в их чувствительных
элементах. Интегральная вольто-
вая чувствительность различных
типов фоторезисторов с течением
времени изменяется по-разному:
у одних она увеличивается, у дру-
гих — уменьшается. Темновое со-
противление, как правило, при
хранении увеличивается.
Одним из параметров, опреде-
ляющим качество фоторезисторов,
является его устойчивость к меха-
ническим воздействиям и, в част-
ности, к вибрационным перегрузка-м. Воздействие вибрационных пе-
регрузок приводит к увеличению напряжения шумов фоторезисторов,
т. е. к ухудшению их порога чувствительности. При разработке
конструкций фоторезисторов принимают специальные меры к повы-
шению их устойчивости к механическим воздействиям. Тем не менее,
при .их эксплуатации следует предусмотреть запас по порогу чув-
ствительности, исходя из данных по виброустойчивости конкретного
типа приборов.
Наконец, параметры фоторезисторов в значительной степени за-
висят от уровня постоянной фоновой засветки, попадающей на фо-
точувствительный элемент из окружающего пространства. Это отно-
сится как к неохлаждаемым, так и к охлаждаемым фоторезисторам.
44
Особенно сильно меняются параметры у фоторезисторов на основе
CdS и CdSe, чувствительных в видимой области спектра. На рис. 27
показано изменение основных параметров фоторезисторов типа СФЗ-1
при различной освещенности.
Видно, что увеличение освещенности приводит к резкому ухуд-
шению его основных фотоэлектрических параметров. Примерно та-
ким же образрм фоновая засветка влияет и на другие типы фоторе-
Рис. 27. Влияние уровня осве-
щенности на интегральную то-
ковую чувствительность (SJ,
постоянную времени (тн, тсп)
и предельно допустимое на-
пряжение селенисто-кадмие-
вых фоторезисторов.
Рис. 29. Влияние постоян-
ной фоновой засветки на
чувствительность охлаж-
даемых фоторезисторов на
основе сурьмянистого
индия.
10°
10~'
<М0'г
Рис. 28. Влияние уровня освещен-
ности на напряжение сигнала и
шумов сернисто-свинцовых фото-
резисторов:
1 — напряжение сигнала при наличии
германиевого фильтра; 2 — напряже-
ние сигнала при отсутствии фильтра;
3 — напряжение шумов.
«Г* яГ7 Ю* ктМ
Мощность постоянной, фоно о о и.
засбетки,6т
зисторов. Для фоторезисторов, работающих в инфракрасной обла-
сти спектра, могут быть применены фильтры (например, из герма-
ния), значительно улучшающие их устойчивость к фоновым засвет-
кам. На рис. 28 показано, что применение германиевого фильтра
в фотоприемнике на основе сернистого свинца практически исключа-
ет влияние фоновой засветки. Влияние постоянной фоновой засвет-
ки на чувствительность охлаждаемых фоторезисторов на основе
сурьмянистого индия показано на рис. 29.
V. НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ФОТОРЕЗИСТОРОВ
Основными требованиями при конструировании оптико-элек-
тронной аппаратуры обычно является необходимость достижения
наибольшей обнаружительной способности в заданном спектральном
диапазоне. Эта задача может быть успешно решена при условии
45
правильного выбора необходимого типа фотоприемника и соответст-
вующей электронной схемы, позволяющей наиболее полно реализо-
вать его параметры. (При конструировании аппаратуры следует так-
же учитывать возможность применения охлаждения, различные
схемные факторы, температурные зависимости параметров, собствен-
ные шумы электронного тракта и т. д. Если известен нужный спек-
тральный диапазон, то для выбора наиболее подходящего типа фо-
торезистора лучше всего воспользоваться данными по спектральному
распределению удельной обнаружительной способности различных ти-
пов фотоприемников (рис. 23). Разумеется, лучшие результаты могут
быть достигнуты при применении охлаждаемых фотоприемников,
однако это не всегда возможно по конструктивным соображениям.
В реальных случаях применения фоторезисторы работают по
источникам излучения, температуры которых отличаются от темпе-
ратуры АЧТ, по которому производится их паспортизация. В этом
случае следует произвести пересчет чувствительности фоторезисто-
ров к спектру излучения такого источника. (Пересчет чувствительно-
сти фоторезистора к любому источнику излучения, если известна его
чувствительность к стандартному источнику (например, АЧТ с тем-
пературой Т,°К), может быть произведен по выражениям
Фп(7') = Фи(7'о.)-^)->
$и (О = (Т’о) ’ (59)
где ФЛ(Т), Фп(То) — пороги чувствительности фоторезистора, опре-
деленные соответственно по отношению к источнику -с температу-
рой Тик АЧТ; Su(T), Su(T0) — интегральные вольтовые чувстви-
Длина, Волны Л, мкм
Рис. 30. К определению коэффициента использования фоторезисто-
ром излучения источника, имеющего температуру 7,=500°К.
46
тельности фоторезистора соответственно к источнику с температу-
рой Тик АЧТ; Кп(Т), Ки(То)— коэффициенты использования из-
лучения соответственно к источнику с температурой Т и АЧТ.
Таким образом, чтобы определить чувствительность фоторези-
стора к источнику излучения с температурой Т, необходимо знать
значения коэффициента использования им излучений данного источ-
ника и АЧТ, по которому производилась его паспортизация.
Коэффициент использования лучистого потока, равный отноше-
нию величины потока излучения, на который реагирует фоторезис-
тор, к полному его излучению, может быть определен графически
(методом численного интегрирования), если известны спектральные
характеристики излучения источника г у, чувствительности фоторези-
стора S и пропускания атмосферы '(если источник расположен
далеко). Для этого необходимо перемножить между собой ордина-
ты всех трех кривых, дополнительно построить функцию F=
=f[S'(A.)rxTax] и найти площади Si и S2, ограниченные кривыми F
и г у и осью X |(см. рис. 30).
Коэффициент использования будет равен
хи = 4г (60)
Очень часто возникает необходимость сопоставления параметров
фоторезисторов. Однако . различные условия измерения параметров
фоторезисторов, применяемые на практике, требуют специальных
расчетов. Отличие в условиях измерений заключается в использова-
нии АЧТ с различной температурой, разных частот модуляции лучи-
стого потока и эффективной ширины полосы пропускания измери-
тельного тракта.
Связь между параметрами фоторезисторов, замеренных при раз-
личных условиях, может быть выражена соотношением
£>*(7-IJ1,l)=zD*(r2J2>l), (61)
где
Sy (Л.Гг.Д/эфф) . l/m(r2J2, Д^эфф) •
z-авс, a- ’ Ь- ’
_ Sy(r2,f,. Д/эфф) = . /1 + .
(Тг, ft, &f Эфф) у 1 сор2
С02 — круговые частоты, соответствующие частотам модуляции
лучистого потока fi и f2; т—постоянная времени фоторезистора;
D*(Ti, 1)—обнаружительная способность фоторезистора, опреде-
ленная по АЧТ с T = Ti при частоте модуляции лучистого потока,
равной Д; D*(T2f f2, 1)—обнаружительная способность фоторези-
стора, определенная по АЧТ с Т=Т2 при частоте модуляции лучисто-
го потока, равной f2. Значения коэффициентов перехода а и с опре-
деляются экспериментальным или расчетным путем, коэффициента
b — только экспериментально.
47
Соотношение величин обнаружительной способности фотоприемни-
ков, полученных при различных температурах АЧТ (при одинаковой
частоте модуляций), приведено в табл. 5. Там же приведена вели-
чина коэффициента пересчета от интегральной обнаружительной спо-
собности (Z)*) к обнаружительной способности ’соответствующих фо-
топриемников в максимуме чувствительности (£>\ ), вычисленного
т
согласно выражения (51).
Таблица 5
Ориентировочные величины коэффициентов для пересчета
параметров фоторезисторов (D* или Sy) к излучателям
типа АЧТ с различной температурой*
Вид фоторезистора и рабочая температура чувствительного элемента S(j D\n S\n D” ' Sa
373 °K | 500 °K | 573 eK 373 °К | 500 °К 573 °К
PbS (293 °К) 0,033 0,5 1 1100 80—100 40—50
PbS (195 вК) 0,06 0,52 1 420 46 25
PbS (77 °К) 0,8 0,6 1 140 25 15
PbSe (293 °К) 1 4,5 6,7 45—70 10—15 7—10
PbSe (195 еК) 1 3—3,8 4—5,5 17—50 , 5—1 4—8
PbSe (77 °К) 1 2—3,5 4—6 9—13 4—5 3,0
InSb (77 °К) 1 2,75 3,75 15,8 5,8 4,2
Ge:Au (ртИП 77 °К) 1 2 — 5 2,5 —
Ge:(Zn, Sb) 1 1,1 — 1,67 1,5 —
Ge:Cu (р) 1 1,25 — 2 2,5 —
* В графах для D*; Sy за единицу принято значение указанных параметров для
той температуры излучателя, при которой они измерялись.
Разброс в приведенных величинах коэффициентов вызван раз-
бросом спектральных характеристик фотоприемников, изготовляемых
по различным технологиям.
Наряду с правильным выбором нужного типа фоторезистора не-
обходимо также учитывать и схемные факторы, к которым следует
отнести комплексное входное сопротивление электронного тракта,
частоту модуляции лучистого потока, питающее напряжение, полосу
пропускания усилителя и др.
В простейшем случае, когда комплексное входное сопротивление
усилительного тракта намного больше сопротивления нагрузки
(Zbx>l/?h), выбор нагрузочного сопротивления и коэффициента уси-
ления следует производить с учетом фактора согласования схемы
с параметрами фоторезистора. Пользуясь выражением (28), можно
показать, что напряжение сигнала, снимаемого с нагрузки i(t7c), бу-
дет зависеть от соотношения i/?T и /?н следующим образом:
U __и —------------- ,g2\
^с-^сс (£т + £н)2 ’
48
где Ucc—величина сигнала при согласованной нагрузке (т. е. при
Rh = Rt). Зависимость сигнала, снимаемого с нагрузки, от отношения
Rh/Rt показана на рис. 31.
При монтаже фоторезистора в аппаратуру в большинстве слу-
чаев сопротивление его нагрузки подбирается равным темновому со-
противлению (иногда это правило может и не соблюдаться). Под
воздействием изменяющейся в условиях эксплуатации температуры
окружающего воздуха или теплопритоков от вращающихся деталей,
расположенных в непосредственной близости от фоторезистора, его
темновое сопротивление в сильной степени изменяется от темпера-
туры (см. рис. i26), тогда как сопротивление нагрузки практически
всякое изменение температуры
остается неизменным, следователь^
от нормальной (20±2 °C) будет
сопровождаться изменением отно-
шения Rt/Rh и, как следствие это-
го, изменением величины снимае-
мого сигнала.
Таким образом, чувствитель-
ность схемы будет изменяться при
изменении температуры сразу
вследствие двух факторов—изме-
нения параметров фоторезистора
Su и Фп (см. рис. 26) и рассогла-
сования схемы. Наиболее сильно
эти изменения будут проявляться
при крайних эксплуатационных
значениях температуры.
Величина напряжения шумов
фоторезистора в зависимости от
его нагрузки изменяется аналогич-
но напряжению сигнала. Поэтому
Рис. 31. Зависимость инте-
гральной вольтовой чувстви-
тельности от соотношения
между нагрузкой и темновым
сопротивлением.
порог чувствительности фоторезистора в системе останется неизмен-
ным. Этот вывод справедлив, однако, только для электронных схем,
у которых уровень собственных шумов намного ниже уровня шумов
фоторезистора. В действительности это соответствует лишь схемам
с ламповыми усилителями и фоторезисторами с чувствительными
элементами типа PbS или iPbSe с большим уровнем собственных
шумов, определяемых избыточными шумами со спектром вида 1/f.
В большинстве случаев порог чувствительности фоторезистора
в системе следует рассчитывать с учетом напряжения шумов как
собственно фоторезистора (£7Шф), так и усилительного тракта
(£7шу). В этом случае порог чувствительности системы фоторези-
стор — усилитель может быть подсчитан из выражения
su
(63)
Из этого выражения видно, что при равенстве напряжения шумов
фоторезистора и усилительного тракта порог чувствительности си-
стемы в Y 2 раз хуже порога чувствительности фоторезистора.
Минимально необходимое значение интегральной вольтовой чув-
ствительности фоторезистора в зависимости от порога чувствитель-
49
ности системы и 'собственно параметров фоторезистора может быть
определено из условий:
— в случае лампового усилителя
/ 2fen?T(ATr-l)
и>1/ Р2—Ф2 ;
У с п
— в случае полупроводникового усилителя
Q Рн Ч~ R? ckT
2 1/ р2 _ ф2 ’
У с п
(64>
(65>
где Рс — порог чувствительности системы, величина которого задает-
ся при проектировании аппаратуры; Фп — порог чувствительности
фоторезистора; Лн — сопротивление нагрузки; N? — коэффициент шу-
ма лампового усилителя; k — постоянная Больцмана; Т — темпера-
тура входного сопротивления усилителя; с — коэффициент, опреде-
ляемый фактором шума полупроводникового усилителя.
Из приведенных выражений следует, что чем выше темновое
сопротивление фоторезистора, тем большей интегральной чувстви-
Напряжение питания
Рис. 32. Зависимость парамет-
ров фоторезисторов от величи-
тельностью он должен обладать
при всех остальных неизменных
его параметрах и параметрах
схемы. Это условие необходимо
соблюдать при комплектации ап-
паратуры и замене неисправного
фоторезистора исправным.
Учитывая, что с понижением
температуры величина темнового
сопротивления фоторезистора воз-
растает (см. рис. 26), интеграль-
ная вольтовая чувствительность
при отрицательных температурах
должна быть выше, чтобы сохра-
нить расчетный порог чувстви-
тельности системы в рабочем ин-
ны напряжения питания. тервале температур.
При выборе рабочего напря-
жения в схеме необходимо учиты-
вать рабочее и предельно допустимое напряжение фоторезистора.
Превышение этих значений приводит к ухудшению порога чувст-
вительности фоторезистора и схемы в целом. На рис. 32 изображены
зависимости напряжения шумов и порога чувствительности фото-
резистора от величины питающего напряжения. Из кривых видно,.
что,( начиная с некоторого напряжения питания, шумы резко воз-
растают и ухудшают порог чувствительности.
Необходимо также учитывать то обстоятельство, что при пони-
жении температуры i/?T резко возрастает; при этом практически все
напряжение питания, приложежгое к цепочке фоторезистор — нагруз-
ка, приходится на чувствительный элемент фоторезистора. В этом
случае напряжение на цепочке не должно превышать предельно
допустимое напряжение фоторезистора, иначе он может стать нера-
ботоспособным.
Рабочая частота модуляции лучистого потока выбирается с уче-
том частотных характеристик фоторезисторов, приведенных на
рис. 15. Частотные зависимости напряжения сигнала (рис. 15) и
50
напряжения шумов (рис. 17) различны. Поэтому существует опти-
мальная частота модуляции лучистого потока, при которой достига-
ется наилучший порог чувствительности фоторезистора. Эта частота
определяется постоянной времени фоторезистора и характером спек-
тра шума. Обычно она определяется экспериментально.
VI. ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ЭКСПЛУАТАЦИИ
ФОТОРЕЗИСТОРОВ
Помимо общих для всех элеменхов электронной техники пра-
вил хранения и эксплуатации три работе с фоторезисторамп сле-
дует соблюдать целый ряд специфических требований, характерных
только для них. Прежде чем приступать к эксплуатации фоторези-
сторов, необходимо ознакомиться с правилами их хранения и эксплу-
атации, изложенными в технической документации -(технические
условия, паспорт, инструкция по эксплуатации) на конкретный тип
фоторезистора.
Хранение фоторезисторов производится в таре завода-изготови-
теля в складских условиях или в отапливаемых помещениях, где
влажность воздуха не превышает 80%, а температура находится
в пределах от +5 до +35 °C.
Контроль параметров фоторезисторов следует производить в по-
мещениях, где температура равна 20±2°С, а относительная влаж-
ность воздуха не выше 80%. Если такие условия отсутствуют, не-
обходимо принимать специальные меры для термостатирования фо-
торезистора, так как параметры фоторезисторов имеют сильную тем-
пературную зависимость.
Некоторые типы фоторезисторов |(сернисто-кадмиевые и селени-
сто-кадмиевые) перед измерением параметров подвергаются предва-
рительному облучению (тренировке) в течение d час от источника,,
•создающего освещенность около 100 лк. Непосредственное измере-
ние параметров осуществляется через 15 сек после включения источ-
ника типа А с рабочей ^контрольной) освещенностью, равной 200
или 300 лк |(в зависимости от конкретного типа приборов). Значе-
ние темнового тока замеряется через 30 оек после выключения
источника типа А. При измерениях необходимо устранять всякую
возможность засветки фоторезистора посторонними источниками
(дневной свет или свет от электрического освещения).
При внешнем осмотре фоторезисторов следует обращать внима-
ние на целостность входного окна, в том числе и на сохранность
его просветляющего покрытия (если оно имеется). Если входное
окно загрязнено, его можно осторожно протереть чистым батистом,
смоченным спиртом-ректификатом. Категорически запрещается ка-
саться просветляющего покрытия предметами, могущими вызвать
его повреждение. До монтажа в схему входное окно должно быть
закрыто защитным колпачком. При проверке состояния выводов
следует обращать внимание на состояние их изоляции и целостности
экранной оплетки.
Перед монтажом фоторезистора в схему следует ознакомиться
с инструкцией по его эксплуатации, которая должна быть согласова-
на с заводом — изготовителем фоторезисторов. В инструкции обычно
предусматривается допустимое расстояние припайки выводов, мощ-
ность паяльника, правила обращения с выводами и приборами в це-
лом.
51
Конструкция, схема и условия эксплуатации устройства, где
применяется фоторезистор, должны обеспечивать нормальный режим
его эксплуатации. В частности, не следует превышать указанные
в технических условиях рабочее и максимально допустимое напряже-
ния, мощность рассеяния, температуру и влажность окружающего
воздуха, давление. Нарушение этих условий -может привести к со-
кращению его срока службы или даже к полной потере работоспо-
собности.
Пайка фоторезистора в схему производится только в обесточен-
ную цепь. При этом принимаются меры |(выбор размера паяльника,
места пайки, вида припоя), не допускающие нагрев фоторезистора.
Перед включением напряжения питания необходимо проверить пра-
вильность соединений с целью исключения подачи на фоторезистор
напряжения, большего, чем указано в его паспорте. Не допускается
подача напряжения на фоторезистор при попадании на него прямого
солнечного света.
Во время транспортировки, монтажа в аппаратуру и проведения
различного рода проверок необходимо предохранять фоторезистор
от случайных ударов и многократных перегибов выводов, не касать-
ся инструментом входных окон и фильтров.
При эксплуатации охлаждаемых фоторезисторов помимо правил,
перечисленных выше, необходимо соблюдать и ряд других, опреде-
ляемых наличием хладоагента и его фазовым состоянием |(жидкий
или газообразный).
Для приведения в рабочее состояние охлаждаемого жидким
хладоагентом фоторезистора необходимо, прежде всего, заправить
его хладоагентом. При этом следует соблюдать меры предосторожно-
сти. Жидкие хладоагенты (азот, неон, гелий) на открытом воздухе
при окружающей температуре очень интенсивно кипят. Брызги хла-
доагента, имеющего очень низкую температуру, при небрежном с ним
обращении могут попасть на открытые участки кожи рук или лица
и вызвать их обморожение. Поэтому заправку хладоагента в сосуд
Дьюара фоторезистора следует производить, пользуясь специальной
воронкой и защитными очками. Во время заливки жидкого хладо-
агента воронку нужно держать так, чтобы при заполнении им вну-
тренней пслости сосуда Дьюара фоторезистора имелась возможность
выхода оттуда воздуха.
Готовность фоторезистора к работе оценивается по резкому
увеличению его темнового сопротивления, измеряемого с помощью
специальной цепи индикации, содержащей контрольный измеритель-
ный прибор. В некоторых случаях рабочая температура фоточувст-
вительного элемента контролируется с помощью специального термо-
датчика (терморезистора), встроенного в /прибор в непосредствен-
ной близости от фоточувствительного элемента. Сопротивление
термодатчика измеряется, например, с помощью измерительного мо-
ста МВЛ-47 или любого другого прибора для измерения сопротив-
ления. Показания термодатчика переводятся в градусы с помощью
градуировочной кривой.
При продолжительной работе фоторезистора должна произво-
диться периодическая дозаливка его хладоагентом, причем в усло-
виях повышенной окружающей температуры и воздействия вибра-
ционных нагрузок дозаливка хладоагента производится чаще, чем
при работе в нормальных условиях. После заливки хладоагента для
уменьшения скорости его испарения заливное отверстие фоторези-
стора закрывается иногда специальной крышкой, в которой обяза-
52
тельно должно быть небольшое отверстие для выхода образующего-
ся газа.
Эксплуатация охлаждаемых фоторезисторов, у которых в каче-
стве хладоагента используется сжатый до высокого давления азот,
требует соблюдения специальных мер, а поэтому должна произво-
диться персоналом, обученным и аттестованным на право работы
с газом высокого давления.
Перед присоединением фоторезистора к азотной магистрали вы-
сокого давления последнюю необходимо в течение нескольких минут
(около 3 мин) продуть рабочим газом, чтобы предотвратить забивку
фильтра и дюзы микрохолодильника посторонними твердыми части-
цами, капельками влаги или масла, которые случайно могут попасть
в трубопровод, подсоединяемый ко входу фоторезистора. После это-
го снять с фоторезистора заглушки с входного и выходного кана-
лов, подсоединить к азотной магистрали высокого давления вход
фоторезистора и подать в канал «вход» прибора газообразный азот
высокого давления.
После выхода прибора на рабочий режим, о чем судят по из-
менению сопротивления фоточувствительного элемента или термодат-
чика, подать на прибор рабочее напряжение, величина которого ука-
зывается в паспорте на фоторезистор. После того как проделаны
перечисленные выше операции в указанной последовательности, фо-
торезистор готов к работе.
Если рабочий газ имеет недостаточную степень очистки, то не
исключена возможность постепенного 'снижения расхода газа в еди-
ницу времени, а иногда и полного прекращения его поступления из-
за забивки (засорения) микрохолодильника .(входного фильтра или
дюзы). Снижение расхода< газа, приводящее к повышению темпера-
туры фоточувствительного элемента, можно обнаружить по ухуд-
шению параметров фоторезистора и по показаниям термодатчика
или иной цепи индикации температурного режима прибора.
Для восстановления работоспособности прибора необходимо про-
извести продувку микрохолодильника рабочим газом в течение 5—
10 мин, для чего следует снять технологическую заглушку с канала
«продувка». По окончании продузки заглушка устанавливается на
.прежнее место. Если после продувки параметры фоторезистора не
восстанавливаются, его следует за-менить исправным. После оконча-
ния работы запрещается отсоединять фоторезистор от магистрали
высокого давления до тех пор, пока не произведен сброс высокого
давления. Не следует также подключать фоторезистор к азотной
магистрали высокого давления, если давление в ней выше макси-
мально допустимого, указанного в паспорте прибора. Несоблюдение
этого правила может привести к разрушению прибора.
Темновое сопротивление неохлажденного фоторезистора значи-
тельно ниже, чем у охлажденного. Поэтому категорически запреща-
ется подавать на фоторезистор, вмонтированный в аппаратуру, ра-
бочее напряжение до того момента, пока не произведена заливка
жидкого азота или не подан сжатый азот высокого давления. На
неохлаждаемый прибор можно кратковременно подавать рабочее
напряжение только в том случае, если к нему подключена нагрузка,
равная по величине темновому сопротивлению охлажденного фоторе-
зистора.
<В первом разделе брошюры было сказано, что фоторезисторы
могут работать при любой полярности подаваемого рабочего напря-
жения (в том числе и на переменном токе). Однако иногда на вы-
53
водах некоторых типов фоторезисторов указывается полярность под-
водимого напряжения. При соблюдении указанной полярности до-
стигается наилучший порог чувствительности фоторезистора. При
обратной полярности подводимого напряжения порог чувствительно-
сти будет хуже вследствие явления («разношума» ^зависимость на-
пряжения шумов от полярности питающего напряжения), имеющего
место у некоторых типов фоторезисторов.
Соблюдение изложенных выше основных требований обеспечит
длительную безотказную эксплуатацию и хранение фоторезисторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рывкин С. М. Фотоэлектрические явления в полупроводни-
ках. Физматгиз, 1963.
2. Соболева Н. А., Берковский А. Г., Ч е ч и к Н. О., Ели-
сеев Р. Е. Фотоэлектронные приборы. Изд-во «Наука», 1965.
3. Круз П.» Макглоул'ин Л., Макквистан Р. Основы ин-
фракрасной техники. Пер. с англ. Чернышева В. Н. и Шере-
метьева А. Г. Воениздат, 1964.
4. М а р к о в М. Н. Приемники инфракрасного излучения. Изд-во
«Наука», 1968.
5. Козелкин В. В., Усольцев И. Ф. Основы инфракрасной
техники. Изд-во «Машиностроение», 1967.
6. О л е с к А. О. Фоторезисторы. Изд-во «Энергия», 1966.
7. Шоль Ж., Марфан И., Мюнш М., Торель П., Ком-
бет П. Приемники инфракрасного излучения. Пер. с франц, под
ред. Л. Н. Курбатова. Изд-во «Мир», 1969.
8. Ам бр оз як А. Конструкция и технология полупроводниковых
фотоэлектрических приборов. Пер. с польск. под ред. Б. Т. Ко-
ломийца. Изд-во «Советское радио», 1970.
9. S h а р i г о Р. Infrared detector chart outlines materials and
characteristics. Electronics, 1962, № 1, p. 91.
10. Антонов E. И. и др. Устройства для охлаждения приемников
излучения. Изд-во «Машиностроение», 1969.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .................................................... 3
I. Физические основы работы фоторезисторов .... 5
II. Конструкции фоторезисторов 13
Неохлаждаемые фоторезисторы.............................13
Охлаждаемые фоторезисторы ....... 15
III. Основные параметры и характеристики фоторезисторов 19
Темновое сопротивление..................................23
Интегральная вольтовая чувствительность . ... 23
Частотная характеристика чувствительности ... 26
Спектральное распределение чувствительности
Напряжение шумов фоторезисторов....................
Цорог чувствительности.................................31
Параметры фоторезисторов, работающих при больших
световых потоках.................................33
Постоянная времени ' . . 34
Вольтовые характеристики...............................36
Энергетические характеристики ....... 37
Критерий оценки качества фоторезисторов ... 37
Значения параметров фоторезисторов.....................40
IV. Влияние эксплуатационных факторов на параметры фото-
резисторов .................................................43
V. Некоторые вопросы применения фоторезисторов ... 45
VI. Основные правила эксплуатации фоторезисторов ... 51
Список литературы . . .........................54
Аксененко М. Д. и Красовский Е. А.
А424 Фоторезисторы. М., «Сов. радио», 1973.
56 с. с ил. (Б-ка «Элементы радиоэлектронной аппаратуры»).
Кратко излагаются физические основы работы фоторезисторов,
принципы их устройства и система параметров. Описываются методы
измерения основных фотоэлектрических параметров и приводятся дан-
ные, характеризующие современные охлаждаемые и неохлаждаемые
фогорезисторы. Рассматривается влияние эксплуатационных факторов
на параметры фоторезисторов и даются рекомендации по применению
и правилам их эксплуатации. Излагается методика расчета чувстви-
тельности фоторезисторов к источнику с любой температурой излучения.
Брошюра рассчитана на широкий круг читателей, связанных
с изготовлением, эксплуатацией и ремонтом оптико-электронных
устройств, в которых применяются фоторезисторы.
А 3312-045
046(01)73
6Ф0.34
МИХАИЛ ДАНИЛОВИЧ АКСЕНЕНКО
ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ КРАСОВСКИЙ
Фоторезисторы
Редактор Л. В. Голованова
Художественный редактор 3. Е/Вендрова
Технические редакторы: 3. Н. Ратникова, А. А. Белоус
Корректор О. П. Трушкова
Сдано в набор 7/XII 1972 г. Подписано в печать 13/Ш 1973 г. Т-0Э491
Формат 84хЮ8/з2 Бумага машчномелованная
Объем 2,94 усл. п л., 3,363 уч.-изд. л.
Тираж 35 500 экз. Зак. 1504 Цена 18 коп.
Издательство «Советское радио», Москва, Главпочтамт, а/я 693
Московская типография № 10 «Союзполиграфпрома»
при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10.
18 коп.