Фотопроводимость

    Этому состоянию отвечает постоянная (стационарная) концентрация избыточных носителей , равная 
 
 

    Так как  избыточные носители имеют практически  такую же подвижность, какой обладают равновесные носители, то стационарная (установившаяся) фотопроводимость полупроводника будет равна 
 
 

    Отсюда  видно, что стационарная фотопроводимость полупроводника, а следовательно, и фоточувствительность полупроводниковых приемников излучения пропорциональны времени жизни избыточных носителей заряда. С этой точки зрения выгодно стремиться к получению максимально высоких значений . Однако при этом может существенно увеличиваться инерционность фотоприемников. 

    Действительно, рассмотрим, например, характер спада  фотопроводимости полупроводника после  выключения источника света  (рис. 3). 

      

    Рис. 3 
 
 

    Вследствие  протекания процесса рекомбинации концентрация избыточных носителей убывает по закону 
 
 

    По такому же закону будет происходить и  спад фотопроводимости проводника (кривая BC): 
 
 

    Из формулы  видно, что чем больше время жизни избыточных носителей, тем медленнее происходит спад фотопроводимости, следовательно, тем более инерционным будет фотоприемник излучения.

    Легко показать, что касательная, проведенная  к кривой спада фотопроводимости в точке t₀  отсекает на оси времени отрезок, численно равный - время жизни избыточных носителей. Этим методом часто пользуются для экспериментального определения .

    На рис. 3 показан также и характер нарастания фотопроводимости полупроводника после  включения светового импульса (кривая OB). Рост фотопроводимости происходит плавно и достигает стационарного значения лишь по истечении некоторого промежутка времени. И в этом случае касательная, проведенная к кривой   в начале координат, отсекает на прямой AB отрезок, численно равный . 

    Ранее не учитывалось влияние ловушек  захвата. Заполнение последних может затягивать процесс нарастания Δn при включении освещения. В частности, при включении света может наблюдаться S-образное нарастание Δn (рис. 4). 

    

 

    Рис. 4 

    Пусть есть концентрация ловушек захвата, которые способны захватывать и затем в течение времени θ удерживать носитель заряда. Если , то ловушка на протяжении времени жизни неравновесного электрона способна захватить его неоднократно. Такие ловушки составляют α-тип. Если же , то ловушка может захватить электрон не более одного раза. В последнем случае ловушки обозначают как β-тип. Если ловушки свободны, то в первый момент они будут захватывать электроны, уменьшая скорость нарастания Δn и затягивая время нарастания. Начальный этап нарастания и спада с определяется величиной θ в случае α-ловушек и τ_n - в случае β-ловушек. Но по мере насыщения или опустошения ловушек их роль в изменении Δn уменьшается.

    Если  построить зависимость фотоотклика от энергии фотонов или длинны поглощаемой световой волны, то получаются сложные кривые, которые в области примесного поглощения зависят от наличия примесей.

    Так, на рис. 5 приведены две кривые спектральной зависимости фотопроводимости (фотоотклика, отложенного по оси ординат в произвольных единицах) для германия легированного медью и цинком. 
 

    

 

    Рис. 5 

    В области  собственного поглощения (левая часть  рисунка) кривые совпадают, а в примесной  области – сильно различаются.  
 
 
 

    На рис. 6 приведены спектры фотопроводимости в области собственного поглощения для ряда полупроводников при разных температурах. 

    

    Рис. 6 

    Если  спектр собственного поглощения, круто  нарастая со стороны его длинноволновой границы, может иметь постоянное или нарастающее значение α при  последующем уменьшении длины волны  в достаточно широком диапазоне, то после прохождения длинноволновой границы собственного поглощения внутренний фотоэффект достигает максимума и затем быстро уменьшается, хотя интервал длин волн продолжает соответствовать собственному поглощению. Здесь сказывается фактическое уменьшение скорости генерации по мере углубления в объем ввиду сильного поглощения света поверхностными слоями. Поэтому вид кривых зависит от размеров образца. 
 

    Светочувствительность является характеристикой полупроводника и определяется как отношение фотопроводимости к интенсивности света. Так что если в качестве фотопроводимости использовать стационарную , то 
 
 

 

    Экситоны. При возбуждении фотопроводимости электроны из валентной зоны перебрасываются в зону проводимости и становятся свободными. Однако возможно и иное течение процесса, когда возбужденный электрон не разрывает связи с дыркой, возникающей в валентной зоне, а образует с ней единую связанную систему. Такая система названа Я.И. Френкелем экситоном. Экситон сходен с возбужденным атомом водорода: в обоих случаях около единичного положительного заряда движется электрон и энергетический спектр является дискретным (рис. 7) 

    

 

    Рис. 7 

    Уровни  энергии экситонов располагаются  у дна зоны проводимости. Так как  экситоны являются электрически нейтральными системами, то возникновение их в  полупроводнике не приводит к появлению  дополнительных носителей заряда, в следствие чего поглощение света не сопровождается увеличением проводимости полупроводника. В настоящее время предполагается, что экситоны возникают и при фотоэлектрически активном поглощении света. Возникнув, они некоторое время блуждают по объему полупроводника. При столкновении с фононами, примесными центрами и другими несовершенствами решетки экситоны или рекомбинируют, или «разрываются». В первом случае возбужденные атомы переходят в нормальное состояние, а энергия возбуждения передается узлам решетки или излучается в виде квантов света (люминисценция). Во втором случае образуется пара носителей электрон и дырка. Они обуславливают фотопроводимость полупроводника.

 

    

    Фоторезисторы

    Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под  действием света.

    Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 8, 9. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором – тонкая пленка полупроводникового материала. 

    

 

    Рис. 8. Монокристаллический фоторезистор 

    

 

    Рис. 9. Пленочный фоторезистор 

    Если  фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 10) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток 

    Iт = E / (Rт + Rн) 

    где Е – э. д. с. источника питания; Rт – величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн – сопротивление нагрузки. 

    

 

    Рис.10. Схема включения для измерения  параметров и характреристик фоторезистора 

    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) 

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

    Iф = Iс – Iт 

    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. 

    Применение  фоторезисторов

    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. 

 

     Фотодетектор

    Регистрация оптического излучения

    Для регистрации  оптического излучения его световую энергию обычно преобразуют в  электрический сигнал, который затем  измеряют обычным способом. При этом преобразовании обычно используют следующие  физические явления:

    – генерацию  подвижных носителей в твердотельных  фотопроводящих детекторах;

    – изменение  температуры термопар при поглощении излучения, приводящее к изменению  термо-э. д. с.;

    – эмиссию  свободных электронов в результате фотоэлектрического эффекта с фоточувствительных пленок.

    Наиболее  важными типами оптических детекторов являются следующие устройства:

    – фотоумножитель;

    – полупроводниковый  фоторезистор;

    – фотодиод;

    – лавинный фотодиод. 

    Полупроводниковый фотодетектор

    Схема полупроводникового фотодетектора приведена на рис. 11: 

    

    Рис. 11. Типовая схема включения детектора  с фотосопротивлением. 

    Полупроводниковый кристалл последовательно соединен с резистором R и источником постоянного напряжения V. Оптическая волна, которую нужно зарегистрировать, падает на кристалл и поглощается им, возбуждая при этом электроны в зону проводимости (или в полупроводниках p-типа – дырки в валентную зону). Такое возбуждение приводит к уменьшению сопротивления Rd полупроводникового кристалла и, следовательно, к увеличению падения напряжения на сопротивлении R, которое при DRd / Rd пропорционально плотности падающего потока.  
 

    Выбирая примеси с меньшей энергией ионизации, можно обнаружить фотоны с более  низкой энергией. Существующие полупроводниковые  фотодетекторы обычно работают на длинах волн вплоть до 1 » 32 мкм.

    Из сказанного следует, что главным преимуществом  полупроводниковых фотодетекторов, является их способность регистрировать длинноволновое излучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано с преодолением значительного поверхностного потенциального барьера. Недостатком же их является небольшое усиление по току. Кроме того, для того чтобы фотовозбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы приходится охлаждать. 

    Электрография