FOTOCONDUCTORES DE UNA PIEZA (FOTORESISTENCIAS)Cuando se aade suficiente energa, por cualquier medio, a un material, los electrones de valencia escapan de sus tomos y se convierten en electrones libres. Por definicin, un hueco es la ausencia de un electrn; por lo tanto, por cada electrn libre que se crea, se crea tambin un hueco libre. La energa necesaria para ello es del orden entre 0.2 y 3 eV. dependiendo del material (Tabla 1), por lo tanto, una radiacin de longitud de onda entre 400 y 6,000 nm es adecuada. Este fenmeno es la base del funcionamiento de todos los fotoconductores de una pieza como se representa en la Fig. 3(a). Se observar que no es necesaria ninguna unin 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 travs del detector y el circuito exterior, recombinndose con los huecos que existen en el extremo negativo del fotoconductor. Realmente, la idea bsica de todo fotodetector de una pieza, o de unin, es convertir la luz en una seal elctrica, o recoger los fotones incidentes en el detector con la menor reflexin posible y extraer de un modo eficiente los electrones libres resultantes. Para conseguir esto, el fototransductor debe hacerse de un material prcticamente transparente a las longitudes de onda que interesen, con un intervalo de energa menor que la energa del fotn. 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 ms complicado que el indicado en la Fig. 3, debido a los mecanismos de captacin de electrones y huecos, y a los efectos trmicos. 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 batera para neutralizar los huecos atrapados en la estructura cristalina. Esto origina un rendimiento cuntico (electrones de salida por fotn incidente) mayor que la unidad, lo cual no es posible ms que en los fotodetectores de unin, que se analizan en la seccin siguiente. Otros refinamientos en la fabricacin conducen a fotoconductores de una pieza de una sensibilidad extremadamente alta. En la Figura 4 el smbolo una fotografa y el corte de un fotoconductor tpico (o fotorresistor). El dispositivo est fabricado depositando, por evaporacin, el material fotoconductor sobre un sustrato de cermica. Para completar el dispositivo se aaden electrodos metlicos y se encierra en una cpsula con una ventana transparente.U2-T2 - Fotorresistencia 1

Los materiales que se comportan con estas caractersticas 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 variacin de la resistencia de un fotoconductor con la radiacin es casi exponencial como se muestra en el ltimo dato, siendo la relacin entre las resistencias en oscuridad y con luz, del orden de 1,000:

Figura 4. Smbolo, fotografa y un corte de una fotorresistencia tpica. La respuesta espectral de varios materiales fotoconductores intrnsecos se muestra en la Fig. 5 (Para poder establecer una comparacin, el espectro de salida de una lmpara incandescente se seala con una x). La respuesta de cualquier material cae a mayor longitud de onda porque la energa de los fotones se hace menor que la energa del intervalo de energa del material, con lo cual la energa no es adecuada para excitar los electrones de valencia hasta elevarlos a la banda de conduccin. La respuesta en la zona de longitud de onda menor (ultravioleta) es ms baja porque la absorcin tiene lugar ms cerca de la superficie. La respuesta puede desplazarse dopando el cristal. La Figura 6 muestra el tiempo de subida y el tiempo de cada de un fotoconductor de una pieza tpico. Se recordar que la resistencia de un fotoconductor de una pieza disminuye con la luz, de ah la apariencia contraria en la figura entre los tiempos de subida y de cada. El tiempo de cada es considerablemente ms largo porque lleva ms tiempo a los electrones en volver a la banda de valencia, debido a las imperfecciones cristalinas.

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Figura 5. Respuesta espectral de varios fotoconductores intrnsecos.

Figura 6. Velocidad de respuesta de un fotoconductor tpico de una pieza. Los fotoconductores resistivos tienen coeficientes de temperatura que varan considerablemente con el nivel de la luz y con el material, como se muestra en la Figura 7. Se observar 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 mxima estabilidad.

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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 especfica depende de la intensidad y duracin de una exposicin previa y al tiempo transcurrido desde una exposicin anterior. Las principales caractersticas de las fotorresistencias son: 1. Resistencia de oscuridad, valor de la resistencia despus de 20 seg. En la oscuridad (104 RD 109). 2. La disipacin mxima, (50 mW 1W). 3. Resistencia de iluminacin(100 Lux), (10 RI 5x103). 4. Voltaje Mximo, (600V). 5. Respuesta Espectral. 6. Tiempo de respuesta, ( su principal desventaja). Los fotoconductores resistivos tienen las siguientes ventajas: 1. 2. 3. 4. 5. Alta sensibilidad (debido a la gran superficie). Fcil empleo. Bajo costo. No hay potencial de unin. Alta relacin resistencia luz-oscuridad.

Sus inconvenientes son: 1. 2. 3. 4. 5. Respuesta espectral estrecha. Efectos de histresis. Estabilidad por temperatura baja para los materiales ms rpidos. Respuesta lenta en materiales estables. Falta de linealidad entre resistencia e iluminacin.

Los campos de ms aplicacin de los fotorresistores son: medida de luz de poca precisin y econmica, troceador para amplificadores de c.c. de bajo nivel, y control de alarma y de rels

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En la Figura 8 se muestran dos aplicaciones de las ms simples de un fotorresistor. Seleccionando la tensin apropiada de la batera, 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 tensin por un fotorresistor se obtiene una tensin dependiente de la luz, como muestra la Fig. 8(b). Como ejemplo de la sensibilidad de estos fotorresistores, considrese el circuito de la izquierda de la Fig. 8(b), con R1 = 10 k y un fotorresistor CL905L y unas condiciones de iluminacin que varan desde la oscuridad hasta 2 pies-candelas. (Mas adelante se indicara la tcnica para hacer lineal la tensin 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 ser proporcional a la radiacin incidente. Por ejemplo, si se suponen el mismo fotorresistor y las mismas condiciones de luz del caso anterior, la constante de tiempo RC variar 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 conversin luz-tiempo. En los circuitos anteriores la salida no es lineal, esto lo podemos corregir con el circuito de la siguiente figura.

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La Figura 10 muestra un circuito para medida de luz ms perfeccionado, que se basa en el equilibrio de un puente para medir la atenuacin de luz en el detector R2. Como los dos fotorresistores son similares variarn juntos, tendiendo a mantener el puente equilibrado cuando varan las condiciones ambientales. Este circuito reduce el efecto de variacin en las fuentes de alimentacin, la histresis y variaciones con la temperatura de los fotorresistores y las variaciones en la salida de la lmpara porque ambos fotodetectores (dos brazos del puente) experimentan los mismos cambios, y por tanto, la salida (E1-E2) tiende a permanecer constante. Para analizar el circuito de la Figura 10 se desprecia Rp y se considera cada salida como un divisor de tensin separado. De esta forma,E1 = R2 (+ V ) R1 + R2

y

E2 =

R4 (+ V ) R3 + R4

Para obtener el equilibrio E1 = E2, es decir, R2 R4 = R1 + R2 R3 + R4 Por tanto, R2R3 = R4R1 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 combinacin de fotorresistores y una lmpara de nen reemplaza a un troceador mecnico. Los fotorresistores trabajan como interruptores, como se muestra en la parte inferior deU2-T2 - Fotorresistencia 6

la Figura 11 y convierten la seal de c.c. en c.a. La seal 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 alimentacin, a la temperatura, etc., se eliminan. Como los fotorresistores tienen una Roscuridad / Rluz de 1,000 o ms, la relacin del divisor de tensin vara entre 10-3 en la fase 2 y 10+3 en la fase 1. Esta relacin es suficientemente alta, con lo cual puede considerarse el fotorresistor como un interruptor ideal.

Figura 11 (a) Esquema de un amplificador troceador; (b) representacin 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 lmpara L1 aumentando con esto el valor de la fotorresistencia, incrementndose el valor de Vo compensndose le disminucin de Vi. Si aumenta Vi baja el valor de la fotorresistencia disminuyendo Vo(de la siguiente formula) R2 Vo = Vi R1 + R2

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Figura 12 Regulador de voltaje. La Figura 13 muestra dos circuitos de interruptor de crepsculo (control de iluminacin), Cuando la radiacin luminosa es intensa el valor de la fotorresistencia es pequeo de tal modo que el DIAC esta apagado y por lo mismo el TRIAC y la lmpara 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 disparndose as el TRIAC pasando corriente por el prendindose la lmpara.

Figura 13. Interruptores de crepsculo.

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