Принцип дії фоторезисторів заснований на фоторезистивной ефекті. Опір фоторезистора залежить від освітленості. При висвітленні фоторезистора опір зменшується.
Основою фоторезистора є напівпровідниковий світлочутливий шар, який виконується у вигляді пластинки, нанесеної на діелектричну підкладку. В якості напівпровідникового матеріалу для фоторезисторів використовують складні сполуки: сульфід кадмію, селенід кадмію, сульфід свинцю. На поверхню даного фоточувствительного шару наносяться металеві електроди.
Поверхня напівпровідникового фоточутливого шару, розташованого між електродами, називають робочою площадкою. Вона може мати різну форму. Площа майданчика: від десятих часток мм ² до декількох десятків мм ².
Для правильності роботи ФР потрібно висвітлювати всю робочу площадку. В цьому випадку фоторезистор буде працювати так, як зазначено в паспортних даних.
1. Вольт-амперна характеристика фоторезисторов.
Являє собою залежність струму від прикладеної напруги при незмінному світловому потоці. У робочому діапазоні напруг Вольт-амперні фоторезисторов при різних значеннях світлового потоку практично лінійні. Так що ФР можна вважати звичайним змінним резистором, опір якого залежить від світлового потоку.
На початку характеристики нелінійність спостерігається у фоторезисторів, виконаних на базі аморфних напівпровідників. Це пояснюється тим, що окремі зерна пов'язані між собою. В аморфних напівпровідниках при малих напругах основне падіння напруги припадає на кордон розділів. При підвищенні напруги опір цих контактів зменшується за рахунок тунелювання через тонкі плівки або за рахунок розігріву цих ділянок. Надалі основний внесок вносять напівпровідникові матеріали. Спостерігається лінійна характеристика. При великій напрузі може спостерігатися нелінійність характеристики. Це пояснюється підвищенням температури, а також іншими дефектами.
2. Світлова (люкс-амперна) характеристика. / Важлива характеристика /
Показує залежність фотоструму від освітленості (від падаючого світлового потоку).
де Е - освітленість.
Нелінійність характеристики пояснюється тим, що при висвітленні збільшується концентрація носіїв заряду в напівпровіднику. В результаті відбувається розщеплення рівня Фермі на квазірівні. Збільшуються процеси рекомбінації. У вузькому діапазоні освітленості люкс-амперна характеристику можна описати рівнянням:
де А і x - константи для окремого фоторезистора.
3. Спектральна характеристика фоторезистора.
Показує залежність фотоструму від довжини падаючого світлового потоку.
При великій довжині хвилі енергії фотонів не вистачає для іонізації атомів всередині напівпровідника.
При малій довжині хвилі збільшується коефіцієнт поглинання світлового потоку. Велика частина фотонів буде поглинатися в поверхневому шарі. При цьому збільшується поверхнева рекомбінація і зменшується вихід носіїв заряду. Відповідно, спостерігається високочастотна межа, яка залежить від ширини забороненої зони. Для напівпровідників: 0,1 - 3 еВ.
Існують фоторезистори, спектральні характеристики яких практично повністю відповідають спектральної чутливості ока. Для цих ФР використовують сульфід кадмію і селенід кадмію.
4. Постійна часу.
Постійна часу - час, протягом якого фотострум фоторезистора змінюється після затемнення або освітлення в e раз або на 63% в порівнянні зі сталим значенням.
Постійна часу характеризує швидкість реакції фоторезистора на зміну світлового потоку. При цьому реакція на збільшення швидша, ніж на зменшення світлового потоку.
- час "наростання" струму при збільшенні світлового потоку.
- час "спаду" струму при зменшенні світлового потоку.
Ці величини мають великий розкид: від 10 мкс до 10 мс.
При вивченні та фоторезистор висвітлюють стандартним світловим потоком, потужність якого повинна складати 200 люкс при температурі джерела світла 2840 К.
Істотна інерційність у фоторезисторів призводить до того, що, якщо ми висвітлюємо його модульованим світловим потоком, то змінна складова буде зменшуватися. Максимальна частота модуляції для ФР: 1-100 кГц.
5. Темновое опір фоторезистора.
Темновое опір фоторезистора - опір фоторезистора за відсутності світлового потоку.
Це опір прийнято вимірювати через 30 секунд після його повного затемнення. Перед цим його висвітлюють стандартним потоком. Після затемнення фоторезистор протягом доби і протягом 30 секунд може змінитися на кілька порядків.
6. Питома інтегральна фоточутливість.
Показує зміну фототока фоторезистора при зміні напруги.
де Ф - потужність світлового потоку.