6.Внутренний фотоэффект в полупроводниках.

6.1.Фоторезистивный эффект. Фоторезисторы

6.1.1.Воздействие излучения на полупроводник

Изменение электрического сопротивления полупpоводника под воздействием электромагнитного излучения называют фоторезистивным эффектом (другое название - явление фотопроводимости). Добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными оптической генерацией, носит название фотопроводимости.

Внутренний фотоэффект может наблюдаться как в собственных, так и в примесных полупроводниках. Рассмотрим фотопроводимость в собственном полупроводнике (рис.6.1). Если такой полупроводник облучать светом с энергией квантов больше или равной ширине запрещенной зоны, то происходит поглощение квантов. При этом их энергия идет на образование дополнительных (неравновесных) электронно-дырочных пар. В отсутствии света полупроводник обладает некоторой проводимостью (так называемаятемновая проводимость ₀), которая определяется равновесными носителями. При освещении полупроводника к ней добавляется фотопроводимость _ф, обусловленная неравновесными носителями. В целом удельная проводимость фотопроводника определяется суммой

 = ₀ + _{ф .} (6.1.1)

Поглощение излучения собственным полупроводником будет происходить в том случае, если энергия кванта hбольше или равна ширине запрещенной зоны. Такой квант вызовет разрыв валентной связи и обpазование добавочных свободных электрона и дырки. В случае примесного полупроводника минимальная энергия кванта равна энергии ионизации примеси. Очевидно, что для внутреннего фотоэффекта существует красная (длинноволновая) граница. Для собственного полупроводника она определится следующим образом:

, (6.1.2)

или

, (6.1.3)

а для примесного

или(6.1.4)

Здесь _кр и _кр- частота и длина волны красной границы.

5.1.2.Устройство и характеристики фоторезисторов

Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте.

Конструктивно фоторезистор представляет собой тонкий слой полупpоводника (фоточувствительный слой), нанесенный на диэлектрическую подложку. На поверхность фоточувствительного слоя или на диэлектрическую подложку наносят металлические электроды. Наиболее распространенные фоторезисторы изготовлены из сульфида свинца, сульфида кадмия, селенида кадмия. Форма фоточувствительного слоя между электродами (рабочей площадки) может быть прямоугольной, в виде меандра, в виде кольца. Фоторезистор обычно помещают в защитный корпус с прозрачным окошком.

Основными характеристиками фоторезистора являются: спектральная, световая (люкс-ампеpная) и вольт-амперная.

Спектральная характеристика - это зависимость фотопроводимости или фототока от длины волны падающего на фоторезистор света пpи постоянном напряжении. Спектральная характеристика определяет пригодность фоторезистора к работе в том или ином диапазоне длин волн.

Типичная зависимость спектральной чувствительности от длины волны (спектральная характеристика) представлена на рис. 6.2.

Заметим, что энергия кванта увеличивается с уменьшением длины волны. Пpи больших значениях длины волны (малых частотах) энергия кванта меньше ширины запрещенной зоны, такое излучение не поглощается полупроводником и фотопроводимость отсутствует. При появляется фотопроводимость. Пpи дальнейшем уменьшении длины волны (увеличении энергии кванта) поглощение света полупроводником продолжает расти, а фотопроводимость, тем не менее, падает. Это объясняется тем, что глубина проникновения излучения в вещество уменьшается, избыточные электроны и дырки образуются в тонком поверхностном слое, где вероятность рекомбинации велика из-за наличия всевозможных дефектов. Среднее время жизни носителей уменьшается, и они "не успевают" принять участие в переносе тока.

Световая характеристика - это зависимость фототока от падающего светового потока или освещенности пpи постоянном напряжении на фоторезисторе. Вольт-амперная характеристика - это зависимость тока от напpяжения пpи постоянном световом потоке (постоянной освещенности) и неизменном спектральном составе света. Световая и вольт-амперная характеристики фоторезисторов, как правило, имеют вид прямой линии.