Spis treści:
Fotorezystory to ważne elementy półprzewodnikowe, bez których współczesna elektronika wyglądałaby zupełnie inaczej. Fotorezystor to element elektroniczny, Jego rezystancja elektryczna, czyli inaczej opór, zmienia się wraz z natężeniem padającego na niego światła. Zwykle gdy jest wystawiony na działanie światła o większej intensywności, to wówczas jego rezystancja maleje. Opiszmy ich pracę i zastosowania w pigułce.
Jak działa fotorezystor?
Gdy światło pada na fotorezystor, niektóre elektrony walencyjne, czyli elektrony znajdujące się na najbardziej zewnętrznej powłoce atomu, pochłaniają energię światła i opuszczają powłokę walencyjną. Elektrony walencyjne, które opuszczają orbitale atomu, nazywane są elektronami swobodnymi. Duża liczba elektronów walencyjnych, które opuszczają atomy macierzyste, “przeskakuje” do pasma przewodnictwa. Elektrony obecne w paśmie przewodnictwa nie należą do żadnego atomu, w związku z tym przemieszczają się swobodnie z jednego miejsca do drugiego.
Elektron walencyjny który opuszcza atom, ma ładunek ujemny, prowadzi to do powstania wakatu, a atom zyskuje ładunek dodatni. To wolne miejsce nazywane jest dziurą elektronową (brak elektronu w pełnym paśmie walencyjnym). To właśnie dlatego wolne elektrony i dziury są generowane jako pary. Wolne elektrony, które przemieszczają się swobodnie z jednego miejsca do drugiego, przenoszą ładunek elektryczny.
W podobny sposób dziury poruszające się w paśmie walencyjnym przenoszą prąd elektryczny. Podobnie zarówno swobodne elektrony, jak i dziury będą przenosić prąd elektryczny. Ilość prądu elektrycznego przepływającego przez fotorezystor zależy od liczby generowanych nośników ładunku, swobodnych elektronów i dziur. Gdy energia światła przyłożonego do fotorezystora wzrasta, wzrasta również liczba nośników ładunku generowanych w fotorezystorze. W rezultacie wzrasta prąd elektryczny przepływający przez fotorezystor. Wzrost prądu elektrycznego oznacza spadek rezystancji, rezystancja fotorezystora maleje więc wraz ze wzrostem natężenia światła.
Fotorezystory samoistne i domieszkowane
Fotorezystory samoistne są wykonane z półprzewodników o wysokiej rezystancji takich jak krzem lub german. Najbardziej zewnętrzna powłoka większości atomów może pomieścić do ośmiu elektronów walencyjnych. W przypadku krzemu lub germanu każdy atom posiada tylko cztery elektrony walencyjne. Te cztery elektrony walencyjne każdego atomu tworzą cztery wiązania kowalencyjne z sąsiednimi czterema atomami, aby całkowicie wypełnić najbardziej zewnętrzną powłokę. W rezultacie żaden elektron nie pozostaje wolny. Kiedy stosujemy energię świetlną do fotorezystora, tylko niewielka liczba elektronów walencyjnych zyskuje wystarczającą energię i uwalnia się od macierzystego atomu. W związku z tym generowana jest niewielka liczba nośników ładunku. W rezultacie tylko niewielki prąd elektryczny przepływa przez ten typ fotorezystora. Wiemy już, że wzrost prądu elektrycznego oznacza spadek rezystancji. W fotorezystorach samoistnych rezystancja maleje nieznacznie wraz ze wzrostem energii światła. Dlatego też fotorezystory samoistne są mniej wrażliwe na światło, a co za tym idzie nie są całkowicie niezawodne w praktycznych zastosowaniach.
Fotorezystory domieszkowane są wykonane z różnych materiałów półprzewodnikowych. Rozważmy przykład takiego fotorezystora, który jest wykonany z kombinacji atomów krzemu i domieszek – fosforu. Każdy atom krzemu posiada cztery elektrony walencyjne, a każdy atom fosforu posiada pięć elektronów walencyjnych.
Cztery elektrony walencyjne atomu fosforu tworzą cztery wiązania kowalencyjne z sąsiednimi czterema atomami krzemu. Jednak piąty elektron walencyjny atomu fosforu nie może utworzyć piątego wiązania kowalencyjnego z atomem krzemu, ponieważ atom krzemu ma tylko cztery elektrony walencyjne. W związku z tym piąty elektron walencyjny każdego atomu fosforu zostaje uwolniony z atomu. W ten sposób każdy atom fosforu generuje wolny elektron. Wygenerowany wolny elektron zderza się z elektronami walencyjnymi innych atomów i czyni je wolnymi. Podobnie pojedynczy wolny elektron generuje wiele wolnych elektronów.
Dlatego dodanie niewielkiej liczby atomów “zanieczyszczeń” (fosforu) generuje miliony wolnych elektronów. W fotorezystorach domieszkowanych mamy już dużą liczbę nośników ładunku, dlatego dostarczenie niewielkiej ilości energii świetlnej generuje jeszcze większą liczbę nośników ładunku. W ten sposób prąd elektryczny gwałtownie wzrasta.
Wzrost prądu elektrycznego oznacza spadek rezystancji. Rezystancja fotorezystora zewnętrznego gwałtownie maleje wraz z niewielkim wzrostem zastosowanej energii świetlnej, dzięki czemu niezawodność jest wyższa niż w przypadku poprzedników.
Zastosowanie fotorezystorów - do czego służą fotorezystory?
Jest ich całe mnóstwo. Dobry przykład to oświetlenie uliczne. Fotorezystory są używane w latarniach do kontrolowania, kiedy światło powinno się włączyć, a kiedy wyłączyć. Gdy światło otoczenia pada na fotorezystor, powoduje on wyłączenie ulicznej latarni. Gdy nie ma światła, fotorezystor powoduje włączenie światła ulicznego. Naturalnie zmniejsza to straty energii elektrycznej. Fotorezystory znajdziemy również w urządzeniach takich jak urządzenia alarmowe, słoneczne lampy uliczne, lampki nocne i radia z zegarem. Generalne obszary ich stosowania to fotodetektory i “czujniki ciemności”, czujniki obecności w drukarkach, skanerach i urządzeniach do podawania papieru, kamery, czujniki refleksyjne stosowane w rolkach myszy komputerowych, instalacje monitorowania nasłonecznienia, fotowoltaika, termostaty, systemy bezpieczeństwa, a nawet fotografia retro, gdzie starsze aparaty fotograficzne mierzyły ilość padającego światła i kontrolowały czas naświetlania filmu.
Fotorezystory - zalety, wady, alternatywy
Fotorezystory są stosunkowo proste w użyciu i nie wymagają skomplikowanych układów. Za prostotą idą niewielkie koszty. Bezkontaktowe działanie oznacza, że nie ma tu części mechanicznych, które mogą się psuć. Zasadnicze atuty to także odporność na wibracje i drgania oraz niskie zużycie energii w porównaniu do innych czujników światła. Jako wady można wskazać wolniejszą reakcję w porównaniu do fotodiody, zależność od temperatury wpływającej na precyzję pomiarów i podatność na zakłócenia od źródeł promieniowania podczerwonego. Pierwsza z alternatyw już została wymieniona – fotodioda jest bardziej czuła na zmiany światła i ma szybszą reakcję niż fotorezystor, więc jest używana w aplikacjach wymagających precyzyjnego pomiaru. Na wspólnej półce tematycznej znajdziemy fototranzystory, czujniki PIR i czujniki światła laserowego, choć te ostatnie stosuje się raczej w skanerach laserowych i zaawansowanych pomiarach.
