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
Ilustracja
Fotorezystor
Typ

element optoelektroniczny

Zasada działania

fotoprzewodnictwo

Symbol
Symbol
Symbol fotorezystora

Budowa edytuj

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 edytuj

 
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:

 

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 edytuj

Typowe parametry fotorezystorów:

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

gdzie:

  • Ro - 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 (τn, τz);
  • Zakres temperatury pracy.

Zastosowanie edytuj

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 edytuj

Do zalet fotorezystora zalicza się:

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

Wady fotorezystora:

  • wrażliwość na temperaturę,
  • dość duża bezwładność czasowa.

Przypisy edytuj

  1. fotorezystor, [w:] Encyklopedia 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 edytuj

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

Zobacz też edytuj