Работа некоторых полупроводниковых элементов основана на использовании фотоэлектрического эффекта – явления взаимо­действия электромагнитного излучения с веществом, в ре­зультате которого энергия фотонов передается электронам вещества. В твердых и жидких полупроводниках различают внешний и внутренний фотоэффекты. В первом случае поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов из вещества. Во втором – электроны, оставаясь в веще­стве, переходят из заполненной энергетической зоны в зону проводимости, обуславливая появление фотопроводимости. В газах фотоэффект состоит в ионизации атомов или молекул под действием излучения. Внутренний фотоэффект, возникающий в паре из электронного и дырочного полупроводников, понижает контактную разность потенциалов, выполняя непо­средственное преобразование электромагнитного излучения в энергию электрического поля, что используется в фотодиодах, фототранзисторах. Наиболее ярко внутренний фотоэффект выражен в таких полупроводниковых материалах как селен, германий, кремний, различные селенистые и сернистые соединения таллия, кадмия, свинца и висмута. Из этих материалов изготавливают фотоэлементы и фоторезисторы.

В отсутствие облучения фоторезистор обладает некоторым большим сопротивлением Rт, которое называется темновым. Величина темнового сопротивления определяется температурой и чистотой полупроводника. При приложении к фоторезистору разности потенциалов в цепи возникает ток   I = Iо+ Iф,            (4.1)

где Iо – темновой ток, Iф – фототок. Зависимость фототока от освещенности (светового потока) называется световой характеристикой (рис. 4.1). Фоторезисторы обладают линейной вольтамперной характеристикой, получаемой при неизменной освещенности Е (рис. 4.2).

Основным параметром фоторезисторов является интегральная чувствительность, под которой понимают отношение фототока к вызвавшему его появление световому потоку белого (немонохромного) света и приложенному напряжению:

                                                              (4.2)

где S – облучаемая площадь фоторезистора, Gф – фотопроводимость, – световой поток. Интегральная чувствительность выражается в микро- или миллиамперах на вольт-люмен (мкА/В×лм, мА/В×лм). С ростом освещенности величина интегральной чувствительности уменьшается, так как световая характеристика Iф(E)  имеет зону насыщения.

Недостатками фоторезисторов являются значительная зависимость сопротивления от температуры, характерная для полупроводников, и большая инерционность, связанная с большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения. Постоянная времени t различных типов фоторези­сторов колеблется в пределах  4×10-5 …3×10-2 с. Так, для фоторе­зисторов марок ФС-КО, ФС-К1 t = 2×10-2 с, для ФС-А1 – t = 4×10-2 с. Это ограничивает быстродействие и затрудняет контроль быстрых изменений освещенности в приборах с фоторезисторами (рис.4.3).

2. Описание экспериментальной установки

Фоторезистор (рис. 4.4) состоит из диэлектрической пла­стины 1, на которую нанесен слой светочувствительного полупроводникового вещества 2. С противоположных сторон этого слоя укреплены электроды 3. Для защиты от механи­ческих воздействий фоторезистор запрессовывается в пластмассовую оправу с прозрачным окном, штырьки которой соединены с его электродами.  

В лабораторной установке фоторезистор располагается внутри темновой камеры на специальной панели. Рядом размещается фотоэлемент, являющийся датчи­ком  люксметра – прибора,  измеряющего  освещенность. В противоположном конце ка­меры на одинаковом расстоя­нии от фоторезистора и фотоэлемента помещен источник света с регулируемым световым потоком. Ручка регулятора потока расположена на лицевой панели установки. Там же указаны облучаемая площадь и темновое сопротивление фоторезистора. Для измерения сопротивления и тока фоторезистора используется универсальный цифровой вольтметр. Вольтамперные характеристики снимают по схеме рис. 2.5.

3. Порядок проведения работы.

3.1     Определение зависимости сопротивления фоторезистора от освещенности.

Подготовить цифровой вольтметр к измерению сопротивлений, для чего переключатель рода работ установить в положение «R», предел измерения – «10 мОм». Подключить цифровой вольтметр к клеммам фоторезистора, расположенным на правой боковой панели лабораторной установки.

Подать напряжение на стенд, переведя тумблер питания, расположенный на лицевой панели, в положение «Вкл». Изменяя освещенность регулятором на лицевой панели в соответствии со значениями в табл. 4.1, измерить и занести в табл. 4.1 сопротивление фоторезистора.

Таблица 4.1