Fotoodpor (fotorezistor)

Fotoodpor je symetrická dvojpólová součástka (polovodičový jednobran bez přechodu PN), u které je využitím vnitřního fotoelektrického jevu dosaženo závislosti odporu na osvětlení, tzn., že pohlcované světelné záření vyvolá změnu hodnoty elektrické vodivosti.

Obr. 1: Schematická značka

Fotorezsitory jsou vyráběny z nedotovaného polovodivého materiálu, tedy z materiálu s vlastní vodivostí. Fotorezistory jsou konstruovány tak, aby měly velký poměr odporu za tmy k odporu při osvětlení. Vyrábějí se zpravidla napařením vrstvy vhodného polovodičového materiálu (např. CdS, CdSe pro viditelné světlo nebo CdTe pro infračervené záření) na keramickou podložku. Aby se dosáhlo většího odporu součástky, má polovodičová vrstva tvar meandru. Pouzdro je upraveno tak, aby na citlivou vrstvu mohlo dopadat světlo. Za tmy je odpor součástky velmi vysoký (10⁶ až 10⁹ Ω). Osvětlíme-li citlivou vrstvu, dochází ke zmenšení odporu fotorezistoru.

Voltampérová charakteristika

Voltampérové charakteristiky fotoodporu jsou lineární, procházejí počátkem, odpor příslušející jednotlivým charakteristikám závisí na osvětlení. Závislost odporu na osvětlení je na obrázku 2. Hodnota odporu za tmy je u fotoodporu z CdS řádově 1 MΩ, při 100 L_x klesá o tři řády.

Obr. 2: Závislost odporu na osvětlení

Citlivost je obecně vztah mezi intenzitou dopadajícího optického záření a výstupním signálem. U fotorezistoru je výstupní signál úměrný velikosti jeho odporu, a proto je jeho citlivost definována jako poměr mezi intenzitou dopadajícího optického záření a jeho odporem.

Spektrální citlivost vyjadřuje závislost citlivosti materiálu fotorezistoru na vlnové délce optického záření.

Obr. 1 z předchozí kapitoly zobrazuje spektrální charakteristiky fotorezistorů vyrobených ze tří materiálů. V grafu vidíme, že fotorezistory vyrobené z CdS mají největší citlivost v oblasti vlnových délek viditelného optického záření, takže se nejvíce přibližují spktrální citlivosti lidského oka. To předurčuje jejich aplikace v oblastech, jako je fotometrie, detekce a ovládání zdrojů optického záření, použití v elektronických hračkách, ve fotoaparátech apod.

Poloha maxima na grafu spektrální citlivosti závisí na složení fotocitlivé vrstvy a také na technologickém postupu nazývaném senzibilizace odporové vrstvy.

Hlavní vlastnosti fotorezistorů

Vztah mezi velikostí odporu R a osvětlením E je nelineární (viz obr. 2). Při překreslení grafu v logaritmickém měřítku je přímka. Charakteristiky reálných provedení tranzistorů jsou mírně prohnuté. Velikost odporu s osvětlením klesá.

Fotorezistory jsou silně teplotně závislé. Při nižších velikostech osvětlení je teplotní závislost větší, teplotní závislost je větší také u vyšších vlnových délek. Teplota způsobuje stejně jako u klasických rezistorů teplotní šum.

Fotorezistory jsou nejčastěji vyráběny z materiálů na bázi kadmia, olova, india, teluru a jejich slitin.

Důležité parametry fotorezistorů

Odpor fotorezistoru:

• R_10lx je udávána velikost odporu pro osvětlení 10 lx při teplotě 25℃ (např. 9kΩ);

• R_100lx někteří výrobci udávají hodnotu při osvětlení 100 lx (např. 100 Ω);

• R_min odpor za tmy – je udávána minimální hodnota odporu měřená 5 sekund po přerušení osvětlení 10 lx (např. 1MΩ, hodnota, podle typu může dosahovat hodnot od desítek kΩ do několika set MΩ);

• P_max maximální ztrátový výkon je největší přípustné zatížení zpravidla při teplotě 25 ℃;

• U_max maximální provozní napětí udává výrobce zpravidla pro teplotu prostředí 25 ℃, deklarovanou hodnotu je možné na rezistor přiložit pouze za tmy.

Rychlost odezvy

Fotorezistory mají poměrně pomalou odezvu na změnu osvětlení, ta se mění s jeho intenzitou. Směrem k větším vlnovým délkám a s velikostí osvětlení se odezva fotorezistoru zrychluje. Rychlost odezvy závisí na použitém materiálu. Z materiálů, ze kterých jsou fotorezistory zhotovovány, jsou nejpomalejší sirníky kadmia a slitiny india a antimonu.

Doba náběhu

Je doba od okamžiku osvětlení, po které hodnota odporu dosáhne stanovenou velikost.

Doba sestupné hrany

Je doba od zhasnutí do okamžiku, kdy se velikost odporu fotorezistoru zvýší na předepsanou hodnotu.

U fotorezistorů se při změně osvětlení projevuje paměťový jev, jenž spočívá v tom, že si fotorezistor pamatuje hodnotu, kterou měl v době skladování. Tento jev je možné minimalizovat, budeme-li fotorezsitor před použitím skladovat na světle.

Rozsah provozních teplot

Např. -20℃ až + 70 ℃.

Provedení

Fotorezistory jsou vyráběny v mnoha různých provedeních.

Fotocitlivé odporové vrstvy je možné vytvářet třemi různými způsoby:

• metodou tlustých vrstev a sintrací;

• použitím monokrystalu;

• metodou tenkých vrstev.

Často používanou metodou je metoda tlustých vrstev, kdy je na podložku nanesen vhodně upravený fotocitlivý materiál, který je potom vysušen. Následuje sintrace (spékání) materiálu při vysoké teplotě. Na konce fotocitlivé vrstvy je nanesen vodivý materiál tvořící elektrody a vytvořeny kontakty. Velikost odporu fotorezistoru je určena hadovitě vytvořenou nezakrytou vrstvou fotocitlivého odporového materiálu mezi kontakty. Vyrobený fotorezistor je potom uložen do vhodného pouzdra, případně chráněn vrstvou plastu, který nepropouští vlhkost.

Použití technologie tlustých vrstev umožňuje výrobu škály různých hodnot fotorezistorů a jejich hromadnou výrobu s velmi dobrou výtěžností zaručující přijatelnou cenu.

Výhody a nevýhody použití fotorezistorů

Výhody:

• poměrně značná citlivost při velkém rozsahu odporů;

• snadné použití;

• nízká cena;

• poměr odporu osvětleného a neosvětleného fotorezistoru je velký;

• mohou pracovat se stejnosměrným i střídavým napětím.

Nevýhody:

• poměrně dlouhá doba odezvy;

• značná závislost na teplotě, která se mění s intenzitou osvětlení;

• odpor se mění s dobou osvětlení, projevuje se stárnutí při provozu.

Zdroje

• KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009

Obrázky

• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Schematická značka, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009
• Obr. 1: KOUTNÝ, Jaroslav a Ivo VLK. Závislost odporu na osvětlení, Elektronika I učebnice.  VYTVOŘENO V RÁMCI PROJEKTU: DIGITÁLNÍ ŠKOLA: ICT VE VÝUCE TECHNICKÝCH PŘEDMĚTŮ, REG. Č. CZ.1.07/1.1.04/01.0137, Vyšší odborná škola a Střední průmyslová škola elektrotechnická, Olomouc 2009