Fotorezystor

Fotorezystor (ang. Photoresistor), fotoopornik, opornik fotoelektryczny – element półprzewodnikowy, którego rezystancja ulega zmianie pod wpływem padającego na jego powierzchnię promieniowania elektromagnetycznego na przykład promieniowania widzialnego lub podczerwieni^[1]. Rezystancja elementu zależy od natężenia oświetlenia fotorezystora, jego rezystancja w ciemności jest bardzo duża i może osiągnąć wartość rzędu megaomów, przy silnym oświetleniu może zmaleć do kilku omów.

Fotorezystor

Fotorezystor
Typ	element optoelektroniczny
Zasada działania	fotoprzewodnictwo
Symbol Symbol fotorezystora

Budowa

Fotorezystory wykonuje się w postaci cienkich ścieżek półprzewodnikowych naniesionych na podłoże dielektryczne. Utworzona w ten sposób część fotoopornika jest materiałem fotoprzewodzącym – częścią roboczą. Do warstwy półprzewodnikowej doprowadza się dwie metalowe elektrody z wyprowadzeniami, które będą wykorzystywane do włączenia elementu w obwód oraz w celu doprowadzenia prądu ze źródła zewnętrznego. Tak wytworzonym element zamykany jest w obudowie z okienkiem przepuszczającym promieniowanie.

W produkcji fotorezystorów wykorzystuje się różne rodzaje materiałów półprzewodnikowych oraz sposoby domieszkowania. W ten sposób można uzyskać maksymalne czułości dla wybranych długości fali np. selenek kadmu jest czuły na światło podczerwone.

W zależności od użytego półprzewodnika, fotorezystor dzieli się na dwa typy: samoistne (ang. intrinsic) oraz domieszkowane (ang. Extrinsic). W fotorezystorach samoistnych wykorzystuje się czyste materiały półprzewodnikowe, bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej tj. krzem (Si) lub german (Ge). W fotorezystorach domieszkowanych do materiału półprzewodnikowego są wprowadzane domieszki w postaci innych pierwiastków^[2].

Fotorezystor starszego typu były wykonywane z krzemu (Si) oraz germanu (Ge). Obecnie fotorezystory wykonywane są z materiałów takich jak siarczek kadmu (CdS), siarczek ołowiu (PbS), selenek ołowiu (PbSe) lub antymonek indu (InSb).

Budowa fotorezystora

Zasada działania

Fotorezystor - prosty układ pracy

Charakterystyki widmowe wybranych materiałów fotorezystancyjnych

Zależność rezystancji fotorezystora od natężenia oświetlenia

Jako fotorezystory stosuje się półprzewodniki, które w temperaturze działania nie mają elektronów w paśmie przewodnictwa. Padające na półprzewodnik fotony o energii większej od przerwy energetycznej przemieszczają elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, w wyniku którego powstają pary dziura-elektron, zjawisko nazywane jest efektem fotoelektrycznym wewnętrznym.

W wyniku tego zjawiska następuje zwiększenie konduktancji materiału.

Dla materiałów półprzewodnikowych domieszkowanych, energie wymagane do pokonania bariery energetycznej są dużo mniejsze i zjawisko fotoprzewodnictwa zachodzi dla promieniowania o większej długości fali. Takie fotooporniki charakteryzują się też większą czułością.

Natężenie prądu fotorezystora określa wzór:

${\displaystyle I=b\cdot U+d\cdot U\cdot \Phi ^{\beta }}$

gdzie:

• U - napięcie polaryzujące,
• Φ - strumień świetlny,

b, d, β - stałe zależne od materiału półprzewodnikowego i rodzaju domieszkowania.

Przewodnictwo materiałów półprzewodnikowych zależy także od temperatury, dlatego na zmianę rezystancji fotorezystora może również mieć wpływ zmiana temperatury, co jest jedną z wad tych elementów.

Parametry fotorezystora

Typowe parametry fotorezystorów:

• Rezystancja ciemna (R_o) – rezystancja przy braku oświetlenia;
• Rezystancja jasna (R_E) – rezystancja fotorezystora dla oświetlonej powierzchni;
• Napięcie maksymalne (U_max) – dopuszczalne maksymalne napięcie pracy fotorezystora;
• Maksymalna moc (P_max) – moc wydzielana w czasie pracy ciągłej nie powodująca trwałych uszkodzeń fotorezystora;
• Charakterystyka rezystancyjno-oświetleniowa – Zależność rezystancji fotorezystora R_E od natężenia oświetlenia E:

${\displaystyle R_{E}=R_{0}\left({\frac {E_{0}}{E}}\right)^{g}}$

gdzie:

• R_o - rezystancja fotorezystora przy danym natężeniu światła E₀,
• E - natężenie oświetlenia,

g - współczynnik zależny od rodzaju materiału półprzewodnikowego.

• Charakterystyka widmowa - czułość prądowa lub napięciowa, jaką charakteryzuje się fotorezystor przy danej długości fali promieniowania;
• Charakterystyka prądowo-napięciowa – zależność prądu od napięcia przy danym natężeniu światła;
• Czas narastania oraz opadania prądu fotoelektrycznego (τ_n, τ_z);
• Zakres temperatury pracy.

Zastosowanie

Fotooporniki wykonane z siarczku kadmu są niedrogie i powszechnie wykorzystywane w różnego rodzaju przedmiotach np. budziki, systemy alarmowe (detekcja wiązki światła), systemy przeciwpożarowe, lampki nocne oraz proste mierniki natężenia światła w kamerach. W systemach przeciwpożarowych wykorzystywana jest jedna z cech fotorezystorów jaką jest duża wrażliwość na zmianę temperatury.

Fotorezystory są często wykorzystywane jako detektory światła, w celu kontroli załączania i wyłączania źródła światła. Przykładami takiego zastosowania są lampy uliczne, które zapalają się w zależności od docierającego promieniowania świetlnego^[3].

Systemy bezpieczeństwa również wykorzystują właściwości fotorezystorów w celu identyfikacji zmiany natężenia światła kiedy człowiek lub obiekt przejdą przez wiązkę laserową.

Fotorezystory wykonane z siarczku ołowiu (PbS) lub antymonku indu (InSb) są wykorzystywane w paśmie podczerwieni. Znajdują zastosowanie jako detektory promieniowania w astronomii podczerwonej oraz spektroskopii IR.

Pozostałe przykładowe obszary zastosowań to:

• pomiar temperatury poprzez pomiar natężenia promieniowania,
• systemy przeciwpożarowe,
• wykrywanie zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych,
• detekcja strat ciepła przez izolację termiczną budynków.

Zalety i wady

Do zalet fotorezystora zalicza się:

• niezawodność działania,
• niska cena,
• duża obciążalność prądowa.

Wady fotorezystora:

• wrażliwość na temperaturę,
• dość duża bezwładność czasowa.

Przypisy

1. fotorezystor, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2020-05-13].
2. Photoresistor- Definition, Working, Types and Applications [online], www.physics-and-radio-electronics.com [dostęp 2020-05-11].
3. p, Photo resistor - Light Dependent Resistor (LDR) » Resistor Guide [online] [dostęp 2020-05-11] (ang.).

Bibliografia

• Andrzej Michalski: Przetworniki i sensory. Preskrypt.
• Witold Skowroński: Elementy optoelektroniczne.
• Andrzej Chochowski: Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla elektryków: podręcznik, Część 2

Zobacz też

• fotokomórka
• fotodioda
• efekt fotoelektryczny

Kontrola autorytatywna (rezystor):

• GND: 4136944-0

Encyklopedie internetowe:

• PWN: 3902292
• Catalana: 0246635