Fotoresistenza

Una fotoresistenza (detta anche resistenza fotogenica o cellula fotoconduttiva ) è un componente elettronico la cui resistività varia a seconda della quantità di luce incidente: più è illuminata, più cala la sua resistività.

Principio

Una fotoresistenza è costituita da un semiconduttore ad alta resistività di un motore e un resistore. Se la luce incidente è di frequenza sufficientemente alta (quindi di una lunghezza d'onda inferiore alla lunghezza d'onda di soglia), trasporta un'energia significativa. Oltre un certo livello specifico del materiale, i fotoni assorbiti dal semiconduttore daranno agli elettroni legati abbastanza energia per passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione. La comprensione di questo fenomeno rientra nell'ambito della teoria delle bande . Gli elettroni liberi e le lacune elettroniche così prodotte abbassano la resistenza del materiale.

Quando il fotone incidente è sufficientemente energetico, la produzione di coppie elettrone-lacuna è tanto più importante quanto il flusso luminoso è intenso. La resistenza quindi si evolve come l'illuminazione. Questa relazione può essere modellata dalla seguente relazione:

R(L)=R0L-K{\ displaystyle R (L) = R_ {0} L ^ {- k}}

Geometria dei semiconduttori

• Principio di una fotoresistenza.

• Geometria ottimale (nastro).

Per mantenere la conduzione, è necessario limitare il numero di ricombinazioni delle coppie elettrone-lacuna. La superficie ricevente del flusso luminoso è un nastro. Questa forma riduce al minimo la larghezza che separa gli elettrodi e li lascia a contatto con il nastro su una vasta area. È questa configurazione che offre la resistenza più bassa. Solo le fotoresistenze utilizzate ad alta tensione sono costituite da un nastro largo. Infatti, la corrente che scorre attraverso la fotoresistenza è scritta:

io=qμnonALV{\ displaystyle I = q \ mu n {\ frac {A} {L}} V}

In questa espressione:

• q è la carica dell'elettrone
• μ è la mobilità dell'elettrone
• n è la densità degli elettroni presenti
• A è l'area della superficie di contatto tra gli elettrodi e la zona fotosensibile
• L è la larghezza del nastro

Si può vedere che per aumentare questa intensità è necessario massimizzare A e minimizzare L. Questo è il motivo per cui il nastro è la forma più efficiente.

Circuito di condizionamento

Il disegno sotto è il simbolo di una fotoresistenza utilizzata in un gran numero di schemi di circuiti elettrici.

Il componente viene utilizzato principalmente per distinguere la presenza o l'assenza di luce. La quantificazione del flusso rimane possibile ma è meno utilizzata. Le fotoresistenze sono collegate a ponte partitore di tensione per gruppi potenziometrici che servono al controllo di relè o diaframma. Per i fotometri elementari, una fotoresistenza è posta su uno dei rami di un ponte di Wheatstone . La corrente di squilibrio introdotta dalla variazione della resistenza di questo ramo viene misurata e riportata ad una misura di portata.

Rumori

Come tutti i sensori ottici, la fotoresistenza è soggetta a un certo numero di rumori di diversa origine.

• Il rumore dell'agitazione termica che risulta dall'agitazione termica dei portatori di carica all'interno del resistore. È anche chiamato rumore di Johnson .
• Il rumore dello sparo o rumore Schottky che appare ogni volta che una corrente scorre attraverso una potenziale barriera.
• Il rumore di generazione-ricombinazione , che è proporzionale all'ampiezza della banda passante.

Il rumore rosa è generalmente trascurato a causa dell'area di utilizzo del sensore.

La conoscenza di questi rumori consente di calcolare il valore del PEB. Per i rivelatori a infrarossi, è necessario tenere conto del rumore ambientale che limita la massima rilevabilità .

Posizionamento nel paesaggio del sensore ottico

La fotoresistenza o cella fotoconduttiva è un sensore resistivo, quindi passivo, della famiglia dei sensori ottici, il cui principio fisico è la fotoconduttività . Associata a un balsamo, la fotoresistenza è tra le più sensibili.

Benefici

• A basso costo
• Ampi intervalli spettrali
• Facilità di implementazione
• Rapporto di trasferimento statico
• Alta sensibilità

Svantaggi

• Non linearità della risposta in funzione del flusso.
• Il tasso di variazione di R con l'illuminazione è basso e non simmetrico
• Sensibilità termica
• Raffreddamento richiesto in alcuni casi (sensori termici)
• Tempo di risposta elevato (da 0,1 µs a 100 ms)
• Larghezza di banda limitata
• Instabilità nel tempo (invecchiamento dovuto al riscaldamento)

Applicazioni

Le fotoresistenze trovano la loro principale applicazione nella rilevazione di una differenza di flusso piuttosto che nella misura precisa del livello di flusso ricevuto (impulsi luminosi, variazione dell'illuminazione per esempio). La misurazione fotometrica richiede una precisa determinazione e stabilizzazione delle caratteristiche . Questa stabilizzazione e la determinazione di queste caratteristiche passano attraverso una rigorosa calibrazione e l'integrazione della fotoresistenza in un condizionatore resistivo del sensore. Sulla base delle considerazioni precedenti, è stato definito il tipo di misurando che le fotoresistenze sono in grado di rilevare. Tuttavia, il tipo di radiazione rilevabile dipende dal tipo di semiconduttore che compone la fotoresistenza. Ad esempio, le fotoresistenze CdSe (seleniuro di cadmio) consentono di rilevare la radiazione nel vicino IR e nel campo del visibile, mentre quelle di ZnO (ossido di zinco) consentono di rilevare la radiazione UV. L'utilizzo di questo tipo di rivelatore è molto vario

• Rivelatori di fiamma che sono fotoresistenze di rilevamento a infrarossi o UV. Vale a dire, solo il fumo intenso causa l'inibizione del sensore UV e fulmini o saldature possono attivarlo accidentalmente. Per la fotoresistenza a infrarossi, la presenza di vapore acqueo riduce notevolmente la sua sensibilità.
• I rilevatori di presenza sono disponibili secondo due diversi principi. Un primo rilevando l'aumento del flusso indotto dalla presenza di un corpo nel campo (principalmente sensori a infrarossi), il secondo rilevando la diminuzione del flusso indotto dall'ombra del corpo presente nel campo del sensore che è più limitato rispetto all'infrarosso (rilevamento nel sensore LDR visibile e più direzionale).
• I ricevitori a infrarossi consentono a due dispositivi di comunicare senza contatto. Uno dei dispositivi ha un emettitore a infrarossi e il secondo la fotoresistenza.
• Rivelatori UV che consentono di evidenziare qualsiasi sorgente UV e quindi controllare la sorgente o rilevare una perdita, ad esempio.
• L'accensione delle luci quando la luminosità diminuisce (illuminazione pubblica o domestica).
• Misurazione della luminosità esterna in fotocamere o computer.

Le applicazioni di questo componente sono quindi molto varie, sia nel mondo industriale che domestico. Essendo poco costoso, presenta un buon rapporto qualità per i produttori che desiderano integrarlo nei loro sistemi.

Note e riferimenti

1. "  Fotoresistenza  " , su ressources.univ-lemans.fr (accessibile 2 Gennaio 2017 )
2. rispetto ad altri sensori, fotodiodi o fototransistor

Vedi anche

Articoli Correlati

• Cellula fotoconduttiva
• Teoria delle bande
• Semiconduttore

link esterno

• Sito web dell'Università
• Sito personale Etronics

Bibliografia

• Sensori nella strumentazione industriale , Georges Asch et al, EEA, DUNOD. (2006).
• Optoelettronica industriale: design e applicazioni. Elettronica , Pierre Mayé ,, DUNOD. (2001).