Усовершенствование характеристик видеотерминальных устройств (дисплеев)

В данном проекте предлагается усовершенствование монитора на ЭЛТ посредством введения блока автоматического регулирования яркости свечения экрана от освещенности рабочего места.

Блок состоит из фоторезистора, который регулирует, посредством своего сопротивления током на базе управляющего транзистора. Сопротивление фоторезистора зависит от освещенности последнего.

2.1 Фоторезисторы

Фоторезисторы как элементы цепи преобразования информации применяются в различных системах, предназначенных для контроля и измерения геометрических размеров и скоростей движения объектов, температуры, управления различными механизмами, для определения качественного состава твердых, жидких и газообразных сред, включения и выключения различных устройств и т. д. При этом во многих случаях фоторезисторный способ получения и обработки информации дает явное преимущество по сравнению с другими способами.

Эксплуатация фоторезисторных устройств показывает их высокую надежность и широкие возможности.

Успехи в развитии фоторезисторной автоматики стали возможными благодаря значительному усовершенствованию конструкции и расширению номенклатуры серийно выпускаемых фоторезисторов. Они обладают высокой чувствительностью, достаточно малой инерционностью, имеют незначительные габариты, долговечны в работе, обеспечивают бесконтактные измерения и контроль. При их применении достигается односторонность связи между источником сигнала информации - излучателем и потребителем - фоторезистором.

В последние годы фоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в оптоэлектронике. В современной электронной технике широко используются полупроводниковые приборы, основанные на принципах фотоэлектрического и электрооптического преобразования сигналов. Первый из этих принципов обусловлен изменением электрофизических свойств вещества в результате поглощения в нем световой энергии (квантов света). Второй принцип связан с генерацией излучения в веществе, обусловленной приложенным к нему напряжением и протекающим через светоизлучающий элемент током. Указанные принципы составляют научную основу оптоэлектроники - нового научно-технического направления, в котором для передачи, обработки и хранения информации используются как электрические, так и оптические средства и методы.

2.1.1 Устройство, характеристики, принцип действия фоторезисторов

Все многообразие оптических и фотоэлектрических явлений в полупроводниках можно свести к следующим основным:

- поглощение света и фотопроводимость;

- фотоэффект в p-n переходе;

- электролюминесценция;

- стимулированное когерентное излучение.

Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности

полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. Причина

фотопроводимости -- увеличение концентрации носителей заряда -- электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Вследствие этого проводимость полупроводника возрастает на величину

Ds = e (mn Dni + mp Dpi), (2.1)

где e - заряд электрона;

mn - подвижность электронов;

mp - подвижность дырок;

Dni - концентрация генерируемых электронов;

Dpi - концентрация генерируемых дырок.

Поскольку основным следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию

hnкр ? DW, (2.2)

где h - постоянная Планка;

DW - ширина запрещенной зоны полупроводника;

nкр - критическая частота электромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости).

Излучение с частотой n < nкр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения hn < DW недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же hn > DW, то избыточная относительно ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.

Критической частоте nкр соответствует граничная длина волны:

lгр=с / nкр, (2.3)

где с - скорость света (3·108 м/с).

При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Так, для германия граничная длина волны составляет примерно 1.8 мкм. Однако спад фотопроводимости наблюдается и в области малых длин волн. Это объясняется быстрым увеличением поглощения энергии с частотой и уменьшением глубины проникновения падающей на полупроводник электромагнитной энергии. Поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где и образуется основное количество носителей заряда. Появление большого количества избыточных носителей только у поверхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника, так как скорость поверхностной рекомбинации больше объемной и проникающие вглубь не основные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.

Фотопроводимость полупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая, в свою очередь, зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля.

Рассмотренный механизм поглощения света, приводящий к появлению свободных носителей заряда в полупроводнике, называют фото активным. Поскольку при этом изменяется проводимость, а следовательно, внутреннее сопротивление полупроводника, указанное явление было названо фоторезистивным эффектом.

Основное применение фоторезистивный эффект находит в светочувствительных полупроводниковых приборах - фоторезисторах, которые широко используются в современной оптоэлектронике и фотоэлектронной автоматике.

Фоторезистор представляет собой непроволочный дискретный полупроводниковый резистор, омическое сопротивление которого определяется степенью освещенности. Под воздействием светового потока электрическое сопротивление слоя меняется в несколько раз (у некоторых типов фотосопротивлений оно уменьшается на два- три порядка). В зависимости от применяемого слоя полупроводникового материала фотосопротивления подразделяются на сернисто-свинцовые, сернисто-кадмиевые, сернисто-висмутовые и поликристаллические селено - кадмиевые. Фотосопротивления обладают высокой чувствительностью, стабильностью, экономичны и надежны в эксплуатации. В целом ряде случаев они с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы.

Многие фоторезисторы, представленные в справочнике, имеют старое обозначение, состоящее из двух букв: ФС, последней буквы, указывающей на материал фоточувствительного элемента (K-CdS, Д-CdSe, A-PbS); цифры -- указа на конструктивное оформление фоторезистора, иногда первой цифрой стоит буква Г или П характеризующие конструктивное исполнение ,и означающие, что конструкция для условий тропического климата и повышенной

влажности.(Г - герметизированные, П - пленочные).

Новое обозначение фоторезисторов состоит из букв ФР и номера разработки.

Например, ФР-193 Д означает: фоторезистор с номером разработки 193, группы Д.

Название типа фоторезисторов слагается из букв и цифр, причем в старых обозначениях буквы А, К, Д обозначали тип использованного светочувствительного материала, в новом же обозначении эти буквы заменены цифрами.

В табл.2.1 приведены наименования наиболее распространенных обозначений фоторезисторов.

Таблица 2.1- Типовые обозначения фоторезисторов

Фоторезисторы выпускаются в пластмассовом или метал корпусе, а также в бескорпусном варианте. Большинство приборов является неохлаждаемыми, т. е. предназначеными для работы при температуре окружающей среды. Но целый ряд приборов охлаждаемых, работа которых возможна только после заливки в специальный сосуд хлада, предназначенного для охлаждения фоточувствительно элемента.

Полупроводниковые фоторезисторы работают в цепях как постоянного, так и переменного тока. Техническими условиями допускается так же использование фоторезисторов в импульсных режимах, при средней мощности рассеяния, не превышающей максимально-допустимого значения. Фоторезисторы могут работать при больших интенсивностях света, при условии не превышения предельногозначения фототока и мощности рассеяния.

Для изготовления серийных фоторезисторов используются различные типы материалов: сернистый кадмий (CdS), селенис кадмий (CdSe), сернистый свинец (PbS) и селенид свинца (PbSe). Фоторезисторы чувствительные к инфракрасному излучению длинноволнового диапазона изготавливают на основе кадмий-ртуть-теллур и антимонида индия (InSb).

Светочувствительный элемент в некоторых типах фоторезисторов выполнен в виде круглой или прямоугольной таблетки, спрессованной из порошкообразного сульфида или селенида кадмия, в других он представляет собой тонкий слой полупроводника, нанесенного на стеклянное основание. В том и другом случае с полупроводниковым материалом соединены два металлических вывода. В зависимости от назначения фоторезисторы имеют совершенно различное конструктивное оформление. Иногда это просто пластина полупроводника на стеклянном основании с токонесущими выводами, в других случаях фоторезистор имеет пластмассовый корпус с жесткими штырьками. Среди таких фоторезисторов следует особо отметить ФСК-6, приспособленный для работы от отраженного света, для чего его корпус имеет в центре отверстие для прохождения света к отражающей поверхности. Выпускаются фоторезисторы в металлическом корпусе с цоколем, напоминающим ламповый, или в корпусе, как у герметизированных конденсаторов или транзисторов. Малогабаритные пленочные фоторезисторы выпускаются в пластмассовых и металлических корпусах с влагозащитным покрытием светочувствительного элемента прозрачными эпоксидными смолами.

Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис.2.1 и рис. 2.2.

Рисунок 2.1 - Монокристаллический фоторезистор

Рисунок 2.2 - Пленочный фоторезистор

Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором - тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 2.3 ) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток

Iт = E / (Rт + Rн), (2.4)

где Е - э. д. с. источника питания;

Rт - величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте,

называемая темновым сопротивлением;

Rн - сопротивление нагрузки.

Рисунок 2.3 - Схема включения для измерения параметров и характеристик фоторезисторов

При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток

Iс= E / (Rс + Rн). (2.5)

Разность между световым и темновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости

Iф=Iс - Iт. (2.6)

Когда лучистый поток мал, первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора.

К основным характеристикам фоторезисторов относятся:

- вольтамперная, характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потоке Ф) или темнового тока от приложенного напряжения. (рис.2.4 ). Закон Ома нарушается в большинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе. Эта характеристика линейна в довольно широких пределах. Для некоторых типов фоторезисторов при напряжениях меньше рабочего наблюдается нелинейность. Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковые фоторезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику (рис.2.5). Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяет использовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения. При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корню квадратному из освещенности. Наклон люкс амперной характеристики зависит от приложенного к фоторезистору напряжения.

Рисунок 2.4 - Вольтамперная характеристика фоторезистора

Рисунок 2.5 - Световая характеристика фоторезистора

- спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него потока излучения постоянной мощности определенной длины волны.

Спектральная характеристика определяется материалом, используемым для изготовления светочувствительного элемента. Как видно из этих характеристик, фоторезисторы с сернисто-кадмиевым светочувствительным элементом имеют максимальную чувствительность в видимой части спектра, фоторезисторы, выполненные на основе селенистого кадмия, наиболее чувствительны к красной и инфракрасной части спектра, а сернисто-свинцовые фоторезисторы имеют максимум чувствительности в инфракрасной, области спектра (рис.2.6).

-частотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на него светового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционности у фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частоты модуляции падающего на них светового потока - с

увеличением частоты светового потока фототок уменьшается (рис.2.7).

Инерционность ограничивает возможности применения фоторезисторов при работе с переменными световыми потоками высокой частоты.

 .

Рисунок 2.6 - Спектральные характеристики фоторезистора

Рисунок 2.7 - Частотные характеристики фоторезистора

Как видно из характеристики, величина сигнала, снимаемого с фоторезистора, уменьшается с увеличением частоты модуляции светового потока.

Чувствительность фоторезисторов меняется (уменьшается) впервые 50 часов работы, оставаясь в дальнейшем практически постоянной в течение всего срока службы, измеряемого несколькими тысячами часов. Интервал рабочих температур для сернисто-кадмиевых фоторезисторов составляет от -60 до +85°С для селенисто-кадмиевых - от -60 до +40°С и для сернисто-свинцовых - от -60 до +70°С.

К основным параметрам фоторезисторов относятся:

- рабочее напряжение Uр - постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданных эксплуатационных условиях (гарантирующее продолжительную работу фоторезистора). При работе в импульсном режиме у

сернисто-кадмиевых и селенисто-кадмиевых фоторезисторов допустимое напряжение может в 2-3 раза превышать рабочее. У сернисто-свинцовых фоторезисторов рабочее напряжение можно принять равным 0,1 Rт, где Rт в килоомах;

- максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax - максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, при котором отклонение его параметров от номинальных значений не превышает указанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

- темновое сопротивление Rт - сопротивление фоторезистора в отсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности. У некоторых типов фоторезисторов темновое сопротивление может иметь значительный разброс

- световое сопротивление Rс - сопротивление фоторезистора, измеренное

через определенный интервал времени после начала воздействия излучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

- кратность изменения сопротивления KR - отношение темнового сопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровне освещенности (световому сопротивлению). Это один из важнейших параметров, характеризующий чувствительность фоторезистора. С увеличением освещенности

кратность возрастает по линейному закону, с уменьшением - снижается.

Наименьшей чувствительностью обладают сернисто-свинцовые фоторезисторы, у которых кратность при освещенности 200 лк не ниже 1,2. У остальных типов фоторезисторов чувствительность значительно выше

- допустимая мощность рассеяния мощность, позволяющая длительную

эксплуатацию фоторезистора при температуре +20° С в окружающей среде без

опасности появления необратимых изменений в светочувствительном слое.

- общий ток фоторезистора - ток, состоящий из темнового тока и фототока.

- фототок - ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем, обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральным распределением.

- удельная чувствительность - отношение фототока к произведению величины падающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение,мкА / (лм · В)

К0= Iф / (ФU), (2.7)

где Iф - фототок, равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и при определенной (200 лк) освещенности, мкА;

Ф - падающий световой поток, лм;

U - напряжение, приложенное к фоторезистору, В.

Если величину чувствительности умножить на рабочее напряжение, то получится интегральная чувствительность.

- интегральная чувствительность - произведение удельной чувствительности на предельное рабочее напряжение:

Sинт= К0Umax. (2.8)

постоянная времени tф - время, в течение которого фототок изменяется на 63%, т. е. в e раз. Постоянная времени характеризует инерционность прибора и влияет на вид его частотной характеристики.

При включении и выключении света фототок возрастает до максимума (рис.2.8) и спадает до минимума не мгновенно.

Рисунок 2.8 - Кривая релаксации фототока

Характер и длительность кривых нарастания и спада фототока во времени

существенно зависят от механизма рекомбинации неравновесных носителей в данном материале, а также от величины интенсивности света. При малом уровне инжекции нарастание и спад фототока во времени можно представить экспонентами с постоянной времени t, равной времени жизни носителей в полупроводнике. В этом случае при включении света фототок iф будет нарастать и спадать во времени по закону

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6