En fotoresistor är en elektronisk komponent vars elektriska motstånd ändras när intensiteten av ljuset som lyser på den varierar.
Vanligtvis, när den utsätts för en högre ljusintensitet, minskar dess motstånd. Det kallas också för en fotoledare, ljusberoende resistor (LDR), fotocell eller elektriskt öga.
Många typer av fotoresistorer har utvecklats och tjänar en mängd olika användningsområden. Till exempel används kadmiumsulfidceller i gatubelysning, kameraljusmätare, klockradio, trygghetslarm och utomhusklockor. Ge:Cu fotoledare är utmärkta detektorer av långt infraröd strålning och är värdefulla för infraröd astronomi och spektroskopi.
Hur fotoresistorer fungerar
En fotoresistor är gjord av en högresistanshalvledare. När ljus med tillräckligt hög frekvens faller på enheten, absorberar halvledaren fotoner som överför energi till bundna elektroner, vilket får dem att hoppa in i ledningsbandet. De resulterande fria elektronerna (och deras hålpartners) leder elektricitet och sänker därmed motståndet.
Inre och yttre anordningar
En fotoelektrisk anordning kan vara antingen inneboende eller yttre.
En inneboende halvledare har sina egna laddningsbärare och är inte en effektiv halvledare, till exempel kisel. I inre enheter finns de enda tillgängliga elektronerna i valensbandet. Därför måste fotonerna ha tillräckligt med energi för att excitera elektronerna över hela bandgapet.
Extrinsiska enheter har ”föroreningar” tillagda så att grundtillståndsenergin för deras elektroner är närmare ledningsbandet.
Följaktligen behöver elektronerna inte hoppa lika långt, och fotoner med lägre energi (det vill säga fotoner med längre våglängder och lägre frekvenser) är tillräckliga för att trigga enheten. Om ett prov av kisel har några av sina atomer ersatta av fosforatomer (motsvarande ”föroreningarna”), kommer extra elektroner att finnas tillgängliga för ledning.
Kadmiumsulfidceller
Kadmiumsulfid (eller kadmiumsulfid, CdS) celler är beroende av materialets förmåga att variera sitt elektriska motstånd beroende på mängden ljus som träffar cellen. Ju mer ljus som träffar cellen, desto lägre motstånd. Även om den inte är korrekt, kan även en enkel CdS-cell ha ett brett motståndsområde, från mindre än 100 ohm (Ω) i starkt ljus till över tio MΩ i mörker.
Många kommersiellt tillgängliga CdS-celler har en toppkänslighet i området 500-600 nanometer (nm). Cellerna kan också reagera på ett brett spektrum av frekvenser, inklusive infrarött (IR), synligt ljus och ultraviolett (UV). De finns ofta på gatlyktor som automatiska på/av-brytare. De användes en gång i värmesökande missiler för att känna efter mål.
Fotoresistorer används även i vissa dynamiska kompressorer för att kontrollera förstärkningsreduktion. I andra änden av skalan är Ge:Cu fotoledare bland de bästa detektorerna för långt infraröd strålning, och de används för infraröd astronomi och infraröd spektroskopi.
Fotoresistorn är också känd som det ljusberoende motståndet (förkortat LDR) eller fotoledaren. Vanligt använda material är kadmiumsulfid, selen, aluminiumsulfid, blysulfid och vismutsulfid. Dessa tillverkningsmaterial har den egenskapen att resistansvärdet minskar snabbt under bestrålning av ljus av en specifik våglängd. Detta beror på att bärarna som genereras av ljuset alla deltar i ledningen och gör en driftrörelse under inverkan av ett yttre elektriskt fält. Elektronerna rör sig till strömförsörjningens positiva pol, och hålen rör sig till strömförsörjningens negativa pol så att fotoresistorns resistans minskar snabbt.
Fotoresistorn är den speciella resistorn gjord av halvledarmaterial som sulfuriserade eller seleniserade distanser, och dess arbetsprincip är baserad på den interna fotoelektriska effekten. Ju starkare ljus, desto lägre motståndsvärde. När ljusintensiteten ökar, minskar motståndsvärdet snabbt, och det ljusa motståndsvärdet kan vara så litet som 1KΩ eller mindre. Fotoresistorn är mycket känslig för ljus. När det inte finns något ljus är fotoresistorn i ett högresistanstillstånd, och mörkresistansen är i allmänhet upp till 1,5 MΩ.
Fotoresistorer används vanligtvis för ljusmätning, ljuskontroll och fotoelektrisk omvandling (omvandlar förändringar i ljus till förändringar i elektricitet). En vanlig fotoresistor är en kadmiumsulfidfotoresistor, som är gjord av halvledarmaterial. Fotoresistorns känslighet för ljus (det vill säga dess spektrala egenskaper) ligger mycket nära det mänskliga ögats svar på synligt ljus (0,4 ~ 0,76) μm. Vid design av ljusstyrkretsen används ljuset från glödlampor (små elektriska pärlor) eller naturligt ljus som kontrollljuskälla, vilket avsevärt förenklar designen.
Specifikationer
I allmänhet görs fotoresistorn till en arkstruktur för att absorbera mer ljusenergi. När det bestrålas med ljus exciteras ett elektron-hålspar i halvledarskivan (ljuskänsligt skikt) för att delta i ledning och öka strömmen i kretsen. För att erhålla hög känslighet använder fotomotståndets elektrod ofta ett kamliknande mönster, som bildas genom ångavsättning av en metall som guld eller indium på en fotokonduktiv film under en viss mask.
Fotoresistorer består vanligtvis av ett ljuskänsligt skikt, ett glassubstrat (eller en fuktsäker plastfilm) och elektroder. Fotoresistorer representeras av bokstäverna ”R” eller ”RL”, ”RG” i kretsen.
En fotoresistor är gjord av kadmiumsulfid (CdS). Den är uppdelad i epoxihartspaket och metallpaket, som båda är av trådtyp (DIP-typ). Epoxiförpackade fotoresistorer är indelade i Ø3mm, Ø4mm, Ø5mm, Ø7mm, Ø11mm, Ø12mm, Ø20mm, Ø25mm enligt den keramiska substratdiametern.
Parameter & egenskaper
Enligt fotoresistorns spektrala egenskaper kan den delas in i tre typer av fotoresistorer: ultravioletta fotoresistorer, infraröda fotoresistorer och synliga ljusfotoresistorer.
Huvudparametrarna
(1) Motstånd mot ljusström och ljus. Under en viss pålagd spänning kallas strömmen som flyter fotoström när ljus bestrålas, och förhållandet mellan den pålagda spänningen och fotoströmmen kallas ljusmotstånd, vilket vanligtvis uttrycks med ”100LX”.
(2) Mörkströms- och mörkerresistans. Under en viss pålagd spänning kallas fotomotståndet mörkström när det inte finns något ljus. Förhållandet mellan den pålagda spänningen och den mörka strömmen kallas mörkresistansen, och det uttrycks vanligtvis som ”0LX”.
(3) Känslighet. Känslighet avser den relativa förändringen i resistansvärdet (mörkresistans) när fotoresistorn inte belyses av ljus och resistansvärdet (ljusresistans) när den belyses av ljus.
(4) Spektral respons. Den spektrala responsen kallas även spektral känslighet, vilket hänvisar till fotoresistorns känslighet under bestrålning av monokromatiskt ljus med olika våglängder. Om du plottar känsligheten vid olika våglängder kan du få en kurva över spektralresponsen.
(5) Belysningsegenskaper. Belysningsegenskaper hänvisar till egenskaperna hos den elektriska signalen som matas ut av fotoresistorn som en funktion av belysningen. Det kan ses från fotoresistorns ljuskarakteristiska kurva att när ljusintensiteten ökar, börjar fotoresistorns resistansvärde att minska snabbt. Om ljusintensiteten ökas ytterligare minskar förändringen i motståndsvärdet och blir sedan gradvis mild. I de flesta fall är denna egenskap icke-linjär.
(6) Volt-ampere karakteristisk kurva. Under en viss belysning kallas förhållandet mellan spänningen och strömmen som appliceras över fotoresistorn volt-ampere-karakteristiken. Vid en given förspänning, ju större ljusintensiteten är, desto större är fotoströmmen. Under en viss ljusintensitet, ju större spänning som appliceras, desto större fotoström. Spänningen kan dock inte ökas på obestämd tid, eftersom alla fotoresistorer begränsas av märkeffekten, den maximala driftspänningen och märkströmmen. Att överskrida den maximala driftspänningen och den maximala märkströmmen kan orsaka permanent skada på fotoresistorn.
(7) Temperaturkoefficient. Fotoresistorns fotoelektriska effekt påverkas kraftigt av temperaturen. Vissa fotoresistorer har högre fotoelektrisk känslighet vid låga temperaturer, men lägre känslighet vid höga temperaturer.
(8) Märkeffekt. Märkeffekt avser den effekt som fotomotståndet kan förbruka i en viss linje. När temperaturen stiger minskar strömmen den förbrukar.
Frekvensegenskaper
När fotoresistorn bestrålas med pulserande ljus tar det en tid för fotoströmmen att nå ett stabilt värde. Efter att ljuset har stoppats är fotoströmmen inte omedelbart noll, vilket är fotoresistorns tidsfördröjning. På grund av de olika egenskaperna för ljuskänslighet och resistansfördröjning hos olika material är deras frekvensegenskaper också olika. Användningsfrekvensen för blysulfid är mycket högre än för kadmiumsulfid, men fördröjningen för de flesta fotoresistorer är relativt stor, så den kan inte användas i applikationer som kräver snabb respons.
Strukturell princip
Fotoresistorer är specialresistorer gjorda av vulkaniserade eller seleniserade halvledarmaterial. Ytan är även belagd med ett fuktsäker harts som har en fotokonduktiv effekt. Arbetsprincipen för fotoresistorn är baserad på den interna fotoelektriska effekten, det vill säga elektrodledarna är monterade i båda ändarna av det ljuskänsliga halvledarmaterialet, och fotoresistorn bildas genom att förpacka den i ett rörfodral med ett transparent fönster. För att öka känsligheten är de två elektroderna ofta kamformade.
Konduktiviteten hos en halvledare beror på antalet bärare i halvledarens ledningsband. När fotoresistorn är upplyst absorberar elektronerna i valensbandet fotonenergin och hoppar sedan till ledningsbandet och blir fria elektroner.
Samtidigt genereras hål. Utseendet på elektron-hål-paret gör resistiviteten mindre. Ju starkare ljus, desto fler fotogenererade elektron-hålpar och desto lägre resistansvärde. När en spänning appliceras över fotoresistorn ökar strömmen som flyter genom fotoresistorn med ökande ljus. Det infallande ljuset försvinner, elektron-hålsparet rekombinerar gradvis, motståndet återgår gradvis till sitt ursprungliga värde och strömmen minskar gradvis.
Fotoresistorn är mycket känslig för ljus. När det inte finns något ljus är fotoresistorn i ett högresistanstillstånd, och mörkresistansen är i allmänhet upp till 1,5 MΩ. När det finns ljus exciteras fria elektroner och hål i materialet, och dess resistansvärde minskar. När ljusintensiteten ökar, minskar motståndsvärdet snabbt, och det ljusa motståndsvärdet kan vara så litet som 1KΩ eller mindre.
Fotoresistorns ljusegenskaper är i de flesta fall icke-linjära, endast linjära i ett litet område, och fotoresistorns resistansvärde har en stor spridning (motståndsförändring, oregelbundenhet i stort område).
Känsligheten för fotoresistorn hänvisar till den relativa förändringen i resistansvärdet (mörkresistans) för fotoresistorn när den inte exponeras för ljus och resistansvärdet (ljusresistans) när den exponeras för ljus. Förhållandet mellan mörkresistansen och fotoresistorns ljusresistans är cirka 1500: 1.
Ju större mörkresistans, desto bättre. Applicera DC- eller AC-förspänning på fotoresistorn. MG-fotoresistorn är lämplig för synligt ljus. Det används huvudsakligen i olika automatiska styrkretsar, fotoelektrisk räkning, fotoelektrisk spårning, ljusstyrande elektriska lampor, automatisk exponering av kameror och automatiska ljusstyrkekontrollkretsar för färg-tv.
