FOTOCONDUCTORES DE UNA PIEZA (FOTORESISTENCIAS)

Transcripción

1 FOTOCONDUCTORES DE UNA PIEZA (FOTORESISTENCIAS) Cuando se añade suficiente energía, por cualquier medio, a un material, los electrones de valencia escapan de sus átomos y se convierten en electrones libres. Por definición, un hueco es la ausencia de un electrón; por lo tanto, por cada electrón libre que se crea, se crea también un hueco libre. La energía necesaria para ello es del orden entre 0.2 y 3 ev. dependiendo del material (Tabla 1), por lo tanto, una radiación de longitud de onda entre 400 y 6,000 nm es adecuada. Este fenómeno es la base del funcionamiento de todos los fotoconductores de una pieza como se representa en la Fig. 3(a). Se observará que no es necesaria ninguna unión entre estos dispositivos, basta con una capa de material fotoconductor, cuya resistencia decrece (o cuya conductancia aumenta) proporcionalmente a la intensidad de la luz. El campo aplicado es necesario para que los electrones circulen a través del detector y el circuito exterior, recombinándose con los huecos que existen en el extremo negativo del fotoconductor. Realmente, la idea básica de todo fotodetector de una pieza, o de unión, es convertir la luz en una señal eléctrica, o recoger los fotones incidentes en el detector con la menor reflexión posible y extraer de un modo eficiente los electrones libres resultantes. Para conseguir esto, el fototransductor debe hacerse de un material prácticamente transparente a las longitudes de onda que interesen, con un intervalo de energía menor que la energía del fotón. Es necesario un potencial exterior (o interno, autogenerado) para extraer la corriente inducida por la luz. Figura 3. (a) Esquema de un fotoconductor de una pieza. El proceso es algo más complicado que el indicado en la Fig. 3, debido a los mecanismos de captación de electrones y huecos, y a los efectos térmicos. Realmente, algunos fotoconductores de una pieza han sido fabricados con un alto nivel de imperfecciones cristalinas, en cuyo caso, varios electrones adicionales pueden penetrar desde el terminal negativo de la batería para neutralizar los huecos atrapados en la estructura cristalina. Esto origina un rendimiento cuántico (electrones de salida por fotón incidente) mayor que la unidad, lo cual no es posible más que en los fotodetectores de unión, que se analizan en la sección siguiente. Otros refinamientos en la fabricación conducen a fotoconductores de una pieza de una sensibilidad extremadamente alta. En la Figura 4 el símbolo una fotografía y el corte de un fotoconductor típico (o fotorresistor). El dispositivo está fabricado depositando, por evaporación, el material fotoconductor sobre un sustrato de cerámica. Para completar el dispositivo se añaden electrodos metálicos y se encierra en una cápsula con una ventana transparente. U2-T2 - Fotorresistencia - 1

2 Los materiales que se comportan con estas características son: - En el espectro visible. + Sulfuro de Cadmio - CdS. + Seleniuro de Cadmio - CdSe. - En los Infrarrojos. + Silicio - Si. + Sulfuro de Plomo - PbS. + Seleniuro de Plomo - PbSe. La variación de la resistencia de un fotoconductor con la radiación es casi exponencial como se muestra en el último dato, siendo la relación entre las resistencias en oscuridad y con luz, del orden de 1,000: Figura 4. Símbolo, fotografía y un corte de una fotorresistencia típica. La respuesta espectral de varios materiales fotoconductores intrínsecos se muestra en la Fig. 5 (Para poder establecer una comparación, el espectro de salida de una lámpara incandescente se señala con una x). La respuesta de cualquier material cae a mayor longitud de onda porque la energía de los fotones se hace menor que la energía del intervalo de energía del material, con lo cual la energía no es adecuada para excitar los electrones de valencia hasta elevarlos a la banda de conducción. La respuesta en la zona de longitud de onda menor (ultravioleta) es más baja porque la absorción tiene lugar más cerca de la superficie. La respuesta puede desplazarse dopando el cristal. La Figura 6 muestra el tiempo de subida y el tiempo de caída de un fotoconductor de una pieza típico. Se recordará que la resistencia de un fotoconductor de una pieza disminuye con la luz, de ahí la apariencia contraria en la figura entre los tiempos de subida y de caída. El tiempo de caída es considerablemente más largo porque lleva más tiempo a los electrones en volver a la banda de valencia, debido a las imperfecciones cristalinas. U2-T2 - Fotorresistencia - 2

3 Figura 5. Respuesta espectral de varios fotoconductores intrínsecos. Figura 6. Velocidad de respuesta de un fotoconductor típico de una pieza. Los fotoconductores resistivos tienen coeficientes de temperatura que varían considerablemente con el nivel de la luz y con el material, como se muestra en la Figura 7. Se observará que el sulfuro de cadmio (CdS) es superior al seleniuro de cadmio (CdSe) en cuanto a estabilidad con la temperatura, y el funcionamiento a altas intensidades debe ser con máxima estabilidad. U2-T2 - Fotorresistencia - 3

4 Figura 7. Dependencia de la temperatura en fotoconductores de CdS y CdSe. Los fotorresistores tienen un efecto de memoria a la luz; es decir, su resistencia específica depende de la intensidad y duración de una exposición previa y al tiempo transcurrido desde una exposición anterior. Las principales características de las fotorresistencias son: 1. Resistencia de oscuridad, valor de la resistencia después de 20 seg. En la oscuridad (10 4 R D 10 9 Ω). 2. La disipación máxima, (50 mw 1W). 3. Resistencia de iluminación(100 Lux), (10 R I 5x10 3 Ω). 4. Voltaje Máximo, (600V). 5. Respuesta Espectral. 6. Tiempo de respuesta, ( su principal desventaja). Los fotoconductores resistivos tienen las siguientes ventajas: 1. Alta sensibilidad (debido a la gran superficie). 2. Fácil empleo. 3. Bajo costo. 4. No hay potencial de unión. 5. Alta relación resistencia luz-oscuridad. Sus inconvenientes son: 1. Respuesta espectral estrecha. 2. Efectos de histéresis. 3. Estabilidad por temperatura baja para los materiales más rápidos. 4. Respuesta lenta en materiales estables. 5. Falta de linealidad entre resistencia e iluminación. Los campos de más aplicación de los fotorresistores son: medida de luz de poca precisión y económica, troceador para amplificadores de c.c. de bajo nivel, y control de alarma y de relés U2-T2 - Fotorresistencia - 4

5 En la Figura 8 se muestran dos aplicaciones de las más simples de un fotorresistor. Seleccionando la tensión apropiada de la batería, el fotorresistor, el instrumento de medida, y los shunt, puede medirse un amplio margen de nivel de luz con el circuito de la Fig. 8(a). Reemplazando un extremo de un simple divisor de tensión por un fotorresistor se obtiene una tensión dependiente de la luz, como muestra la Fig. 8(b). Como ejemplo de la sensibilidad de estos fotorresistores, considérese el circuito de la izquierda de la Fig. 8(b), con R 1 = 10 kω y un fotorresistor CL905L y unas condiciones de iluminación que varían desde la oscuridad hasta 2 pies-candelas. (Mas adelante se indicara la técnica para hacer lineal la tensión de salida de la Fig. 8(b), aunque se emplee un elemento no lineal, como es un fotorresistor.) Si se sustituye el resistor fijo por un condensador, como muestra la Figura 8(c) su promedio de carga será proporcional a la radiación incidente. Por ejemplo, si se suponen el mismo fotorresistor y las mismas condiciones de luz del caso anterior, la constante de tiempo RC variará desde 147 ms en la oscuridad, a 2,2 ms con 2 pies-candela. Figura 8. (a) Medidor de luz usando un fotoconductor de una pieza; (b) circuitos divisores de tensi6n fotosensibles; (c) circuito de conversión luz-tiempo. En los circuitos anteriores la salida no es lineal, esto lo podemos corregir con el circuito de la siguiente figura. U2-T2 - Fotorresistencia - 5

6 La Figura 10 muestra un circuito para medida de luz más perfeccionado, que se basa en el equilibrio de un puente para medir la atenuación de luz en el detector R 2. Como los dos fotorresistores son similares variarán juntos, tendiendo a mantener el puente equilibrado cuando varían las condiciones ambientales. Este circuito reduce el efecto de variación en las fuentes de alimentación, la histéresis y variaciones con la temperatura de los fotorresistores y las variaciones en la salida de la lámpara porque ambos fotodetectores (dos brazos del puente) experimentan los mismos cambios, y por tanto, la salida (E 1 -E 2 ) tiende a permanecer constante. Para analizar el circuito de la Figura 10 se desprecia R p y se considera cada salida como un divisor de tensión separado. De esta forma, R2 E = ( + V R + R 4 1 ) y E 2 = ( + V ) 1 2 R R + R 3 4 Para obtener el equilibrio E 1 = E 2, es decir, R2 R1 + R Por tanto, R 2 R 3 = R 4 R 1 2 = R4 R + R 3 4 equilibrado. Figura 10. Circuito puente para medida de luz mejorando la estabilidad. La Figura 11 muestra lo fundamental de un amplificador troceador de c.c. de bajo nivel, en que una combinación de fotorresistores y una lámpara de neón reemplaza a un troceador mecánico. Los fotorresistores trabajan como interruptores, como se muestra en la parte inferior de U2-T2 - Fotorresistencia - 6

7 la Figura 11 y convierten la señal de c.c. en c.a. La señal de c.a. se amplifica y finalmente se demodula o rectifica en sincronismo con la entrada. De esta forma, los problemas debidos a las variaciones en la fuente de alimentación, a la temperatura, etc., se eliminan. Como los fotorresistores tienen una R oscuridad / R luz de 1,000 o más, la relación del divisor de tensión varía entre 10-3 en la fase 2 y en la fase 1. Esta relación es suficientemente alta, con lo cual puede considerarse el fotorresistor como un interruptor ideal. Figura 11 (a) Esquema de un amplificador troceador; (b) representación ideal para ambas fases del troceador de la parte (a). La Figura 12 nos muestra un regulador de voltaje en el cual al disminuir Vi baja la intensidad de la lámpara L1 aumentando con esto el valor de la fotorresistencia, incrementándose el valor de Vo compensándose le disminución de Vi. Si aumenta Vi baja el valor de la fotorresistencia disminuyendo Vo(de la siguiente formula) R2 Vo = Vi R + R 1 2 U2-T2 - Fotorresistencia - 7

8 Figura 12 Regulador de voltaje. La Figura 13 muestra dos circuitos de interruptor de crepúsculo (control de iluminación), Cuando la radiación luminosa es intensa el valor de la fotorresistencia es pequeño de tal modo que el DIAC esta apagado y por lo mismo el TRIAC y la lámpara esta apagada, al oscurecer el valor de la fotorresistencia se va incrementando llegando el momento en que se logra que se ponga ON el DIAC disparándose así el TRIAC pasando corriente por el prendiéndose la lámpara. Figura 13. Interruptores de crepúsculo. U2-T2 - Fotorresistencia - 8