17.11. Фотоэлектрические и излучающие полупроводниковые приборы. Фотоэлектрические полупроводники

3. 5. Фотоэлектрические свойства полупроводников

Физический процесс внутреннего освобождения электронов фотонами, т.е. квантами электромагнитного излучения, называется внутренним фотоэффектом, а добавочная электропроводность, обусловленная этим процессом, называется фотопроводностью.

На энергетической диаграмме полупроводника (рис. 3.2, б) с донорной примесью Wпр – энергия активации примеси, а Wg – ширина запрещенной зоны полупроводника. Чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону примесную, или из примесной в зону проводимости, нужно затратить энергию.

Энергия фотона

, (3.14)

где h = 6,6∙10-34 – постоянная Планка, Дж∙с;

ν – частота электромагнитного излучения, 1/с;

с ≈ 3∙108 – скорость света в вакууме, м/с;

–длина волны электромагнитного излучения, м.

Фотоэлектрические свойства полупроводников рассмотрим на примере фоторезисторов и фотоэлементов.

3.5.1. Фоторезистивный эффект

Если энергия фотона WФ, попадающего на поверхность полупроводника, больше энергии примеси WФ ≥ Wпр – возникает примесная фотопроводимость; если WФ больше ширины запрещенной зоны полупроводника WФ > Wg – возникает собственная фотопроводимость; если полупроводник не подвергается облучению – он обладает темновой электропроводимостью – γт.

Каждый фотон, воздействующий на полупроводник, при условии, например, что WФ ≥ Wg, способен перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости и создать пару носителей – электрон и дырку.

Когда электронно-дырочных пар становится много, увеличивается вероятность их рекомбинации, т.е. возвращение электрона на свое место в валентную зону. Поэтому при увеличении интенсивности светового потока FФ рост фотопроводимости будет замедляться, как показано на рис. 3.8, на котором представлена интегральная характеристика полупроводникового фотосопротивления.

На следующем рисунке (рис. 3.9.) приведены спектральные характеристики фотосопротивлений – зависимость чувствительности полупроводника – в %, от длины волны – λ падающего на него лучистого потока. Мы видим, что максимальная чувствительность наблюдается в сравнительно узком диапазоне длин волн излучения, например, для ФС1 и для ФС2.

Рис. 3. 8. Интегральная характеристика фотосопротивления

Рисунок 3. 9. Сравнительные характеристики фотосопротивления

Объяснить это можно следующим образом:

а) при больших длинах волн энергии фотона недостаточно для перевода электрона в зону проводимости – чувствительность мала;

б) по мере уменьшения λ энергия фотона растет, и увеличивается чувствительность;

в) когда частота излучения совпадает с собственной частотой материала полупроводника – наступает явление резонанса, чувствительность довольно интенсивно возрастает;

г) с дальнейшим ростом частоты излучения чувствительность начинает падать, так как увеличивается коэффициент поглощения k излучения в поверхностном слое; увеличивается рекомбинация на поверхности и чувствительность становится низкой (рис. 3.9).

Каждый материал имеет свой спектр поглощения и свой спектр излучения, а также свою собственную частоту колебаний. Для каждого вещества известны эти частотные спектры, они сведены в таблицы – полосы. По спектральной характеристике можно определить исследуемый материал, а по всплескам (пикам) на основной спектральной характеристике можно определить какие примеси содержит данное вещество в своем составе (спектральный анализ).

На описанных фотосвойствах полупроводниковых материалов основана работа полупроводниковых фоторезисторов, фотоэлементов и др. приборов. Чувствительность их может лежать в инфракрасной области спектра (частота ≤ 3,5∙1014 с-1), видимой части (частота от 4∙1014 до 8∙1011 с-1), ультрафиолетовой части ( > 8∙1011 с-1).

studfiles.net

17.11. Фотоэлектрические и излучающие полупроводниковые приборы

Лекция 28

Фотоэлектрическими называют такие приборы, в которых лучистая энергия преобразуется в электрическую.

Принцип действия полупроводниковых фотоэлектрических приборов основан на использовании внутреннего фотоэффекта, суть которого заключается в следующем. Лучистая энергия излучается в виде квантов света (фотонов) с энергией W= hν, где h — постоянная Планка, ν — частота излучения. Под воздействием этой энергии в чистых полупроводниках (и в меньшей степени в диэлектриках) энергия части валентных электронов может увеличиться настолько, что они смогут преодолеть запрещенную зону и перейти в зону проводимости. В примесных полупроводниках n-типа под воздействием лучистой энергии электроны с донорных уровней могут перейти в зону проводимости, а в полупроводниках р-типа дырки с акцепторных уровней — в валентную зону (т. е. фактически валентные электроны перейдут на акцепторные уровни). Для того чтобы электроны чистого полупроводника могли преодолеть запрещенную зону, необходимо сообщить им энергию, большую энергии активации собственной электропроводности ΔWa, или в крайнем случае равную ей, т. е. нужно выполнить условие возникновения фотоэффекта hν ≥ ΔWa. В примесных полупроводниках электронам нужно сообщить энергию большую (или равную), чем энергия ионизации ΔWи т. е. hν ≥ ΔWи.

Полупроводник при этом приобретает добавочную проводимость, которая называется фотопроводимостью. Отметим, что проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей заряда, называется также темновой проводимостью. Когда энергия фотона равна энергии активации (энергии ионизации для примесных полупроводников), ее называют порогом фотоэффекта. Длину волны λ0, соответствующую минимальной частоте ν0 (hν0 = ΔWa), называют красной границей внутреннего фотоэффекта. При этом ν [Гц] = 3 • 1014/λ0, где λ0 — в мкм.

Для разных полупроводников значения λ0 различны. Так, для германия λ 0 ≈ 1,7 мкм, т. е. граница фотоэффекта лежит в инфракрасной области.

Фоторезисторы — полупроводниковые приборы, которые имеют два контакта и электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от интенсивности и спектрального состава падающего излучения.

На рис. 17.22 показаны схема устройства фоторезистора (а) и его условное обозначение (б). Пластину светочувствительного полупроводникового материала 4 закрепляют на подложке 1 из непроводя- щего материала (стекла, керамики, кварца), к полупроводнику крепят токоведущие электроды 2, изготовленные из некорродирующих материалов (серебра, золота, платины). Чаще всего чувствительные элементы помещают в пластмассовый или металлический корпус, который имеет отверстие для пропускания света 3. Часть светочувствительной полупроводниковой пластины между металлическими контактами является рабочей. В качестве светочувствительного материала в основном используют полупроводниковые соединения: сульфид или теллурид кадмия, сернистый свинец, антимонид индия. Промышленностью выпускается большое количество типов фоторезисторов в различном конструктивном исполнении.

При подключении фоторезистора к источнику питания в электрической цепи проходит небольшой ток Iт, называемый темновым. При освещении фоторезистора ток в цепи возрастает за счет фототока, обусловленного внутренним фотоэффектом. Вольт-амперная харак- теристика, т. е. зависимость фототока от приложенного напряжения при постоянном световом потоке Ф, практически линейна (рис. 17.23). Параметры фоторезисторов, как и других полупроводниковых приборов, существенно зависят от температуры.

Фоторезисторы инерционны, что обусловлено конечным временем генерации и рекомбинации носителей заряда при изменении освещенности, вследствие чего фототок не успевает следовать за изменением освещенности. Это является их недостатком. Однако фоторезисторы просты по конструкции, их масса мала, они стабильны в работе, имеют практически неограниченный срок службы. Фоторезисторы широко применяют в различных схемах автоматики, контроля, измерения.

Фотодиоды — это полупроводниковые фотоэлектрические приборы с одним p-n-переходом и двумя контактами, принцип действия которых основан на использовании внутреннего фотоэффекта.

Устройство фотодиодов подобно устройству обычных диодов (рис. 17.24, а), но в корпусе 2 (если он металлический), в который помещен диод, имеется стеклянное окно 1, через которое на диод падает свет. Стекло окна прозрачно для той части спектра, к которой должен быть чувствителен активный элемент фотодиода. Если корпус пластмассовый, полимерный материал должен быть прозрачным для нужной части спектра. Обычно свет направляют перпендикулярно плоскости p-n-перехода (реже — параллельно). Условное обозначение фотодиода дано на рис. 17.24, б.

В качестве полупроводниковых материалов используют германий, кремний, селен, арсенид индия, сульфид кадмия и др. Фотодиод может работать в режиме фотогенератора и в режиме фотопреобразователя. В первом случае под действием света на зажимах фотодиода создается фото-э. д. с. Такие фотодиоды называют полупроводниковыми фотоэлементами. Во втором случае в цепь фотодиода включают источник питания, создающий обратное смещение р-n-перехода (рис. 17.25). Если фотодиод не освещен, он ведет себя как обычный диод, через него проходит обратный ток, образованный неосновными носителями заряда областей р и n (в данном случае его можно назвать темновым). Если на фотодиод падает свет, то вследствие внутреннего фотоэффекта в обеих областях фотодиода генерируются пары носителей заряда. Неосновные носители заряда, для которых поле р-n-перехода является ускоряющим, могут легко преодолеть p-n-переход и попасть в смежную область (дырки n-области — в область p, а электроны р-области — в область n) и тем самым внести свой вклад в общий ток неосновных носителей заряда фотодиода. Ток неосновных носителей, вызванный освещением, не зависит от напряжения, приложенного к р -n-переходу, он пропорционален световому потоку и называется световым током или фототоком. При этом следует отметить, что одновременно с процессом генерации пар носителей заряда происходит и их рекомбинация. Поэтому достигнут p-n-перехода и перейдут через него только те носители, диффузионная длина которых L больше ширины области р или n. Кроме того, интенсивность света уменьшается по глубине облучаемого тела, поэтому генерация пар носителей происходит в основном на внешней облучаемой поверхности. Если ширина облучаемой области меньше диффузионной длины дырок, что соответствует реальным структурам фотодиодов, фототок в фотодиоде будет обусловлен движением дырок области n.

На рис. 17.26 представлена вольт-амперная характеристика фотодиода IФ = f(U) для различных значений светового потока Ф. Характеристика при Ф = 0 представляет собой обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода, т. е. характеристику темнового потока. Отношение фототокаIф к вызвавшему его световому потоку Ф называют фоточувствительностью :

Чувствительность кремниевых фотодиодов равна 3 мА/лм, германиевых — 20 мА/лм, сернисто-серебряных — 10—15 мА/лм. Фотодиоды обладают значительной инерционностью из-за конечного времени диффузии носителей заряда к p-n-переходу и прохождения их через область объемного заряда в p-n-переходе. Кроме того, на инерционность влияет также время зарядки емкости p-n-перехода. Частотные характеристики фотодиодов зависят от материалов, из которых они выполнены, а также от толщины и площади р-n-перехода. Менее инерционны германиевые и кремниевые диоды. Существенным недостатком фотодиодов является зависимость их параметров от температуры.

Фототранзистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя р- n-переходами.

Устройство и принцип действия фототранзистора такие же, как и биполярного транзистора. Часто фототранзистор имеет два вывода от эмиттера и коллектора. Внешняя часть базы является фоточувствительной поверхностью, поэтому эмиттер обычно имеет небольшие размеры. В корпусе имеется окно для пропускания света. Одна из структур фототранзистора и схема его включения показаны на рис. 17.27, а, б соответственно.

При отсутствии освещения в цепи фототранзистора проходит небольшой темновой ток. При освещении светочувствительной поверхности (на рис. 17.27, а базы n-типа) в ней генерируются пары носителей заряда. Неосновные носители заряда базы (дырки) через коллекторный переход переходят в коллектор и обратный ток перехода увеличивается на ток, образованный дырками базы (часть фототока, аналогичная фототоку диода). Однако в фототранзисторе в отличие от фотодиода имеется вторая составляющая фототока: уход дырок из базы приводит к образованию в ней нескомпенсированного отрицательного объемного заряда и к снижению потенциального барьера эмиттера, в результате чего увеличивается число дырок, инжектируемых эмиттером в базу, а следовательно, и число дырок, переходящих из базы в коллектор.

Чувствительность фототранзистора, таким образом, значительно выше чувствительности фотодиода. Вольт-амперные характеристики фототранзистора с оборванной базой аналогичны выходным характеристикам биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис. 17.28). Основным параметром прибора является световой поток Ф. Частотные характеристики фототранзисторов хуже, чем для фотодиодов, из-за инерционности эмиттерного перехода за счет его емкости. Параметры фототранзисторов существенно зависят от температуры.

Светодиоды — это излучающие полупроводниковые приборы с одним р-n-переходом, преобразующие электрическую энергию в энергию некогерентного светового излучения.

В основе принципа действия светодиодов лежит свойство излу-чательной рекомбинации — излучения квантов света при рекомбинации пар электрон — дырка. Рекомбинация наблюдается, если р-и-переход включен в прямом направлении. Рекомбинация будет излучательной не всегда. В ряде случаев вся энергия, приложенная к переходу, передается атомам решетки, т. е. имеет место безызлучательная, или тепловая, рекомбинация. Так, в германиевых переходах электрическая энергия выделяется почти полностью в виде тепловой.

В качестве полупроводниковых материалов светодиодов обычно используют двойные и тройные соединения. Диоды красного, желтого и зеленого свечения изготовляют на основе фосфида галлия, с фиолетовым свечением — на основе карбида кремния и т. д. Конструктивно светодиоды могут быть плоскими и полусферическими. В светодиодах p-n-переходы создают методами вплавления или диффузии.

На рис. 17.29 в качестве примера показана упрощенная конструкция светодиода. Диод, представляющий собой монокристалл n-типа 1, в котором создан р-n-переход, помещен в корпус — стеклянную линзу 2, пропускающую излучаемый свет. От областей n- и р-типа сделаны выводы 3 из некорродирующего металла (серебра, золота).

Светодиоды имеют малые габариты и массу, низкое потребление мощности, высокую стабильность и большой срок службы. Инерционность светодиодов мала, она составляет десятимиллионные и стомиллионные доли секунды. Светодиодам можно придавать различную форму, а также располагать их на одном кристалле в виде черточек. В этом случае, включая те или иные сегменты, можно получать любую цифру от 0 до 9. Поэтому они находят широкое применение в световых табло, в счетно-решающих машинах для ввода — вывода цифровой и буквенной информации. Особо важное значение имеет применение светодиодов в оптоэлектронике.

studfiles.net

Фотоэлектрические полупроводниковые приборы

В полупроводниковых материалах происходит два вида конкуренции: фотоны могут либо поглощаться, при этом электрон переходит с уровня Е1 на уровень Е2 (на этом процессе основана фотопроводимость), либо излучаться, при этом электрон переходит с уровня Е2 на уровень Е1.

Рис. 5.3 Спонтанные и вынужденные переходы

Начальным этапом действия фотоэлектрических полупроводниковых приборов является поглощение квантов излучения и образование свободных носителей заряда в полупроводнике. Появление этих избыточных по отношению к состоянию термодинамического равновесия носителей вызывает повышение удельной проводимости полупроводника. Это явление называется фотопроводимостью.

Избыточные электроны и дырки, образованные в результате взаимодействия с фотонами, могут иметь энергии, значительно больше, чем средняя энергия равновесных носителей заряда. Однако в результате взаимодействия с фононами и дефектами кристаллической решетки за максвеловское время релаксации носителей заряда по энергии (=10-10... 10-12 с) энергия неравновесных носителей заряда становится равной средней тепловой энергии равновесных носителей заряда. Время жизни неравновесных носителей, как правило, много больше и составляет 10-2... 10-7 с, и, следовательно, можно считать, что распределение по энергиям неравновесных носителей заряда в зонах является таким же, как у равновесных. Таким образом, и подвижности неравновесных носителей не отличаются от подвижности равновесных и.

При воздействии света полная проводимость полупроводника определяется равновесными носителями заряда ,и неравновесными носителями заряда=(условие квазинейтральности для СФР), генерированными светом. Результирующая удельная проводимость освещенного полупроводника будет равна

(4.35)

Приращения концентрации свободных носителей иопределяются в каждом случае состоянием равновесия между процессами генерации и рекомбинации носителей:,. Более детальное рассмотрение показывает, что надо рассматриватьэффективное время жизни носителей (), зависящее от механизма поглощения излучения (длины волны излучения), темпа генерации носителей, инжекции неосновных носителей заряда из контактов.

Скорость генерации , где– квантовый выход или число электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света,– поток квантов,– эффективная площадь ФР ширинойa длиной l и толщиной d, или –значения коэффициента поглощения на данной длине волны (см. рис. 7.1).

Наиболее простым фотоэлектрическим полупроводниковым прибором, действие которого основано на использовании фотопроводимости, обусловленной собственным поглощением, является собственный фоторезистор (СФР). СФР – прибор для регистрации электромагнитного излучения, принцип действия которого основан на изменении сопротивления за счет возбуждения электронов и дырок при поглощении квантов света с энергией большей или равной ширине запрещенной зоны.

Рис. Зависимости дляGe, Si и GaAs

Кроме собственных, существуют примесные ФР, принцип действия которых заключается в возбуждении носителей с примесных центров и приборы, основанные на изменении подвижности из-за образования "горячих" носителей, возникающих при поглощении излучения свободными носителями.

Простейший фоторезистор представляет собой тонкий слой однородного полупроводникового материала, заключенный между двумя металлическими невыпрямляющими электродами, являющимися выводами прибора. СФР является пассивным элементом, т.е. для его работы необходима батарея питания VБ. Изменение проводимости СФР фиксируется как изменение напряжения (тока) на нагрузочном сопротивлении (Rн), включенном последовательно с ФП. Rн обычно выбирается равным или большим, чем темновое сопротивление ФР.

Частотные характеристики ФР определяются временем фотоответа, определяемым временем пролета носителей tr через ФР:

tr=l/vдр

где vдр –дрейфовая скорость носителей, о ней говорилось в разделе 2. Отношение дает коэффициент усиления фототока. Для ФР усиление может достигать 106, тогда как у фотодиодов он равен единице, у лавинных фотодиодов – 102…104, у биполярных и полевых фототранзисторов – 102.

Фотодиоды (ФД) подобны обычным диодам. Их темновая (в отсутствии падающего излучения) ВАХ определяется выражением (4.40).

Спектральная область чувствительности ФД определяется Eg материала.

Падающее излучение возбуждает электронно-дырочные пары, как в квазинейтральных областях, так и в ОПЗ. При этом электроны и дырки, возбужденные вn- и p-областях, двигаются только под действием градиента концентрации, то есть могут направиться как в сторону ОПЗ, так и к поверхности, рекомбинируя на поверхностных состояниях. Фототок вызывают только неосновные носители, подошедшие к ОПЗ. Напомним, что для основных носителей существует барьер, равный контактной разности потенциалов и определяемый.

Общий фототок образуют неосновные носители, генерируемые в квазинейтральных областях и электронно-дырочные пары, генерируемые в самом ОПЗ. ВАХ фотодиода определяется выражением:

На рис. 7.3 представлена ВАХ ФД при облучении и прямоугольник максимальной мощности, выделяемой на нагрузке.

Частотные характеристики фотодиода определяются двумя составляющими: временем диффузии носителей до ОПЗ () и временем пролета через ОПЗ ().

, ,

где x – расстояние от места генерации неосновных носителей до ОПЗ, – коэффициент диффузии неосновных носителей,– ширина ОПЗ,– скорость носителей в ОПЗ. Таким образом, лучшими частотными свойствами обладают фотодиоды при попадании излучения в ОПЗ. Для увеличения вероятности генерации носителей именно в ОПЗ ширинуувеличивают, вводя междуp- и n-областями высокоомную I – область с проводимостью, близкой к собственной. Такие фотодиоды называют pin- фотодиодами. Эти фотодиоды находят широкое применение в линиях оптической связи, так как их время фотоответа составляет 10-8…10-10 с, и оптронах, то есть приборах, совмещающих источник и приемник излучения.

Лавинные фотодиоды (ЛФД) – это прибор, принцип действия которого основан на лавинном умножении фототока. Он работают при высоких обратных смещениях, близких к напряжению лавинного умножения.

ЛФД изготовляют с pin-структурой, на основе гетероструктур (варизонной структурой, т.е. структурой с плавным изменением химического состава полупроводника), а также на основе барьера Шоттки. ЛФД с варизонной структурой обладают лучшей стабильностью коэффициента умножения при флуктуациях приложенного напряжения.

Фотодиоды с барьером Шоттки особенно эффективны в видимой и ультрафиолетовой областях спектра. Для этих спектральных областей коэффициент очень велик (~105 см-1 и более, см. рис. 7.1) и эффективная глубина поглощения очень мала (1/0,1 мкм и менее). У обычных фотодиодов в этой приповерхностной области высока скорость поверхностной рекомбинации, и фотогенерируемые носители здесь же и рекомбинируют, не внося вклад в фототок. У ФД с барьером Шоттки за счет химической связи металл-полупроводник скорость поверхностной рекомбинации намного ниже, что приводит к чувствительности этих приборов в УФ области. Отличительной особенностью этих приборов является очень широкая спектральная область чувствительности.

Фотодиод, работающий в фотовольтаическом режиме, т.е. ВАХ которого находится в четвертом квадранте (рис. 7.3), находит широкое применение как солнечный элемент. Разрабатываются солнечные элементы на основе гомогенных и гетеро- pn-переходов, на барьерах Шоттки и МДП-структурах.

studfiles.net

Полупроводниковые фотоэлектрические приборы

Фотоэлектрическими приборами называют преобразователи энергии оптического излучения в электрическую энергию.

К оптическим относят ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучения с длиной волны от десятков нанометров до десятых долей миллиметра. Как известно, видимое излучение лежит в диапазоне длин волн 0,38–0,76 мкм.

Работа полупроводниковых фотоэлектрических приборов основана на так называемом внутреннем фотоэффекте – ионизации квантами света атомов кристаллической решетки, в результате чего изменяется концентрация свободных носителей заряда, а следовательно, и электрические свойства вещества. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается.

Фоторезисторы. Фоторезистором называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, электрической проводимостью которого можно управлять с помощью оптического излучения.

Рис. 8.2. Устройство (а), схема включения (б) фоторезистора и его ВАХ (в)

при различных освещенностях

Устройство фоторезистора показано на рис. 8.2,а. Пластина или пленка полупроводникового материала I закреплена на подложке 2 из непроводящего материала – стекла, керамики или кварца. Световой поток падает на фотоактивный материал через защищенное слоем прозрачного лака специальное отверстие – окно.

Если к неосвещенному фоторезистору подключить источник питания Е (см. рис. 8.2,.б), то в электрической цепи появится небольшой ток, называемый темповым током, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда.

При освещении фоторезистора ток в цепи существенно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Типичные ВАХ фоторезистора для различных световых потоков Ф изображены на рис. 8.2,в.

Фототок (разность токов при наличии и отсутствии освещения) зависит также от спектрального состава светового потока. Спектральные свойства фоторезисторов принято характеризовать длиной волны λмакс,соответствующей максимуму чувствительности, и порогом фотоэффекта, равным длине волны λ0, при которой чувствительность составляет 1% максимальной.

Фоторезисторы обладают значительной инерционностью, обусловленной временем генерации и рекомбинации электронов и дырок, происходящих при изменении освещенности фоторезистора. Максимальная частота модуляции светового потока, при которой могут работать фоторезисторы, достигает значения порядка 105 Гц.

Темновое сопротивление неосвещенных фоторезисторов различных типов имеет широкий диапазон: от 102 до 109 Ом. Значение рабочего напряжения фоторезистора, которое зависит от его размеров, т.е. от расстояния между электродами, выбирают в пределах от нескольких единиц вольт до 100 В.

Достоинства фоторезисторов: высокая чувствительность, возможность использования в инфракрасной области спектра излучения, небольшие габариты и применимость для работы как в цепях постоянного, так и переменного токов.

Фотодиоды. Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя выводами, имеющий один р–n- переход.

Структура фотодиода не отличается от структуры обычного диода. На границе р- и n-областей образуется лишенный подвижных носителей заряда запирающий слой, электрическое поле которого, обусловленное контактной разностью потенциалов, препятствует движению основных носителей заряда. При освещении фотодиода (световой поток направляется перпендикулярно плоскости р-n-перехода) в результате ионизации фотонами в р- и n-областях образуются электронно-дырочные пары, которые диффундируют к р-n-переходу (разность концентраций). Под действием электрического поля р-n-перехода пары разделяются и носители заряда перебрасываются в области, где они становятся основными (рис. 8.3), т.е. неосновные носители заряда n-области – дырки – переходят в р-область, а электроны р-области переходят в n-область. Это приводит к созданию на выводах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-ЭДС, предельно возможное значение которой равно контактной разности потенциалов, составляющей десятые доли вольта. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5–0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.

Если замкнуть зажимы освещенного фотодиода через резистор, то в электрической цепи появится ток, значение которого зависит от фото-ЭДС и сопротивления резистора.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Схема включения и ВАХ фотодиода в фотогенераторном режиме для различных освещенностей показаны на рис.8.4. В этом режиме световая энергия непосредственно преобразуется в электрическую. Из рис. 8.4 видно, что при RH = 0 ток короткого замыкания Iк фотодиода будет максимальным, а при размыкании нагрузочного резистора максимальным будет напряжение холостого хода Uxфотодиода.

Рис. 8.3. Устройство фотодиода

Рис. 8.4. Схема включения (а) и ВАХ (б) фотодиода в фото генератор ном режиме

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав солнечных батарей, используемых на, космических кораблях. КПД кремниевых солнечных элементов составляет около 20%, а у пленочных солнечных элементов он может иметь значительно большее значение. Важными техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м2 соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник питания Е включается в цепь в запирающем направлении (рис. 8.5,а). Используются обратные ветви ВАХ фотодиода при различных освещенностях (рис. 8.5,б). Ток и напряжение на нагрузочном резисторе Rн могут быть определены графически по точкам пересечения ВАХ фотодиода и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора Rн. При отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода.

Рис. 8.5. Схема включения (а) и ВАХ (б) фотодиода в фотопреобразовательном режиме

Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10–30 мкА, у кремниевых – 1–3 мкА.

Спектральные характеристики фотодиодов зависят от материалов, используемых для их изготовления. Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза, поэтому их широко применяют в фото- и кинотехнике. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной частях спектра излучения.

По сравнению с фоторезисторами фотодиоды являются более быстродействующими, но имеют меньшую чувствительность.

Частотные характеристики зависят от материалов фотодиода. В настоящее время созданы высокочастотные (быстродействующие) фотодиоды на основе германия и арсенида галлия, которые могут работать при частотах модуляции светового потока в несколько сотен мегагерц.

Существенным недостатком фотодиодов является зависимость значений их параметров от температуры, при этом следует иметь в виду, что кремниевые фотодиоды более стабильны.

Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой, сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и чувствительность значительно возрастут. Чувствительность лавинных фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных фотодиодов (у германиевых – в 200 – 300 раз, у кремниевых – в 104–106 раз). Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с обычными фотодиодами.

Лавинные фотодиоды можно применять для обнаружения световых сигналов и счета световых импульсов в релейных устройствах автоматики.

Транзисторы

Транзисторы (Т) – полупроводниковые приборы, служащие для усиления мощности электрических сигналов. По принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые («униполярные»).

Рис. 8.6. Структура биполярного транзистора типов (а), (б)

и их условное обозначение

Биполярный транзистор (БТ) представляет собой трехслойную структуру (рис. 8.6). В зависимости от способа чередования слоев БТ называются транзисторами типа или типа (рис. 8.6,а,б).

Транзистор называется биполярным, если физические процессы в нем связаны с движением носителей обоих знаков (свободных электронов и дырок).

В биполярном транзисторе средний слой называется базой (Б), один крайний слой – коллектором (К), а другой крайний слой – эмиттером (Э). Каждый слой имеет свой вывод, с помощью которых биполярный транзистор подключается в цепь.

Структура и условное обозначение одного из видов полевых транзисторов показана на рисунке 8.7. У полевых транзисторов так же, как и у биполярных, – три электрода, называемые истоком, стоком и затвором.

Истоком (И) называется электрод, из которого в центральную область ПТ (канал) входят основные носители заряда п- или р-типов.

Сток (С) – электрод, через который основные носители уходят из канала.

Затвор (З) – электрод, управляющий потоком носителей заряда.

Поскольку в полевом транзисторе ток определяется движением носителей только одного знака р- или п-типов, эти транзисторы называют также униполярными.

Рис. 8.7. Структура (а) и условное обозначение полевого транзистора с каналом р-типа (б)

17.11. Фотоэлектрические и излучающие полупроводниковые приборы

Лекция 28

Фотоэлектрическими называют такие приборы, в которых лучистая энергия преобразуется в электрическую.

Фототранзистор — это полупроводниковый фотоэлектрический прибор с двумя р- n-переходами.

studfiles.net

Г л а в а 6 оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

Г Л А В А 6. Оптические и фотоэлектрические явления 215

(фотоэлектрические явления в полупроводниках и переходах, фотопроводимость и фотогальванический эффект)

Рассмотрим световой поток мощностью Wo, падающий нормально к поверхности полупроводниковой пластинки (рис. 6.1,а). Часть светового потока отражается от поверхности полупроводника. При этом доля отраженной энергии характеризуетсякоэффициентом отраженияr=Wr/Wо0,25...0,3, гдеWr- мощность отраженного пучка света. Следовательно, мощность пучка отраженного света составляетWr=r·Wо, а оставшаяся мощность светового потока, поступившего в полупроводник,W1=(1-r)Wо.

Свет, проникая в полупроводник, постепенно поглощается, передавая часть своей энергии кристаллической решетке и его мощность уменьшается. Количество световой мощности dW, поглощаемой слоемdx, пропорционально мощности светаW, падающего на этот слой, и толщине слоя:

dW=-Wdx, (6.1)

где - коэффициент поглощения света, м-1.

Знак минус в правой части формулы (6.1) указывает на уменьшение мощности света.

Коэффициент поглощения светачисленно равен относительному изменению мощности света на единицу длины, проходимого светом в поглощающей среде.

Интегрирование (6.1) с учетом отражения от поверхности позволяет найти решение этого дифференциального уравнения в виде

W=W1e-x=Wo(1-r) e-x. (6.2)

Выражение (6.2) известно как закон Бугера-Ламберта. График этой функции, представленный в виде экспоненциальной зависимости интенсивности светового потокаФ от глубиных, отсчитанной от поверхности полупроводника, представлен на рис. 6.1,б.

Из графика рис. 6.1, бвидно, что прих=-1световой поток в полупроводнике убывает вe2,73 раза.Таким образом, коэффициент поглощения света  - величина, обратная толщине слоя х, в котором мощность (или сила) проходящего пучка света уменьшается в 2,73 раза.

Поглощение света в полупроводниках связано с процессом возбуждения электронов с более низких на более высокие энергетические уровни или с передачей энергии фотонов кристаллической решетке полупроводника. Различают несколько видов оптического поглощения. Каждому из них соответствует определенная часть спектра длин световых волн.

6.1. Механизмы поглощения света

Собственное поглощение.При собственном поглощении света энергия света, распространяющегося в полупроводнике, расходуется на возбуждение электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 6.2,а). Иными словами, энергия квантов света расходуется на ионизацию атомов полупроводника, а сам процесс собственного поглощения является обратным по отношению к процессу рекомбинации неравновесных носителей заряда.

В соответствии с законом сохранения энергии собственное поглощение возможно в том случае, если энергия фотонов превышает ширину запрещенной зоны, >Wg. Из этого условия можно определить максимальную (пороговую) длину волныпорсобственного поглощения света. Действительно, посколькуWg=hc/пор, гдес=2,998108м/с - скорость света, то отсюда следует, что

пор<hc/Wg=1,24/Wg, мкм, (6.3)

Выражение (6.3) аналогично формуле (2.43), приведенной ранее при рассмотрении вопроса об излучательной рекомбинации неравновесных носителей заряда.

Например, расчет по формуле (6.3) для кремния, имеющего Wg1,1 эВ, дает значениепор=1,13 мкм. Эта длина волны соответствует ближней инфракрасной области спектра (напомним, что значения длин волн видимого света находятся в диапазоне 0,7...0,8 мкм).

Различают прямые и непрямые оптические переходы при собcтвенном поглощении света.

Прямые переходы - это переходы, при которых сохраняется волновое число электрона k, переброшенного в зону проводимости при передаче ему энергии возбуждающего кванта света. Закон сохранения волнового числа в этом случае имеет вид

kn-kp=kф 0, (6.4)

где kn1010 м-1- волновое число электрона, переброшенного в зону проводимости; kp- волновое число дырки, возникшей в валентной зоне; kф- волновое число фотона.

Значение волнового числа фотона kф 107м-1, что примерно на три порядка меньше соответствующей величины для электрона. Следовательно, значением kфв выражении (6.4) можно пренебречь, kф 0.

При прямых оптических переходах выполняется также закон сохранения энергии, который записывается в виде

WnWp=Wф, (6.5)

где Wn- энергия электрона, переброшенного в зону проводимости;Wp– энергия дырки, возникшей в валентной зоне;Wф=h- энергия возбуждающего кванта света.

На рис. 6.2, б прямой переход условно показан вертикальной стрелкой 1.

Непрямые оптические переходы- это переходы, которые происходят с участием третьей квазичастицы - фонона. При этом часть энергии перехода восполняется за счет энергии кристаллической решетки или передается кристаллической решетке в виде фонона. Для непрямых оптических переходов закон сохранения энергии имеет вид

Wn-Wр=WфWфон, (6.6)

где Wфон3·10-2эВ=4,810-21Дж -энергия фонона.

Знак плюс относится к процессам, протекающим с поглощением фонона, знак минус - с испусканием фонона. Поскольку энергия фотона Wф1эВ, то значениемWфонв выражении (6.6) можно пренебречь по сравнению сWф.

Одновременно справедливо следующее соотношение между волновыми числами частиц, участвующих в переходе:

kn-kр=kф kфон, (6.7)

где k фон- волновое число фонона.

Значение волнового числа фонона сравнимо со значением волновых чисел электрона и дырки, находящихся в пределах первой зоны Бриллюэна. Этот факт объясняется тем, что по своей природе фононы относятся к акустическим колебаниям кристаллической решетки полупроводника, распространяющимся со скоростью vфон5103м/c, значительно меньшей скорости света. Поскольку энергия теплового кванта определяется соотношениемWфон=kфонvфон, то отсюда следует, что kфон=Wфон/vфон21010м-1. Поэтому величиной kфонв формуле (6.7) пренебрегать нельзя, а при оптических переходах с участием фононов импульс электрона может изменяться в широких пределах. На рис. 6.2,бнепрямые переходы показаны в виде наклонных стрелок2. Отметим, что из-за участия трех частиц вероятность непрямых переходов оказывается существенно меньше, чем прямых.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны=f(), или от энергииhсветовых квантов (фотонов),=f(h), называютспектром поглощения вещества. В спектре поглощения наблюдается рост поглощения, начиная с энергии фотона, способной "перебросить" электрон через запрещенную зону. Эта энергия называетсяэнергией края основной полосы оптического поглощения.

На рис. 6.3 представлены спектры поглощения Ge и Si, =f(h), измеренные при температуре жидкого азота (Т=77 К) вблизи края основной полосы собственного поглощения в тонких монокристаллических пластинках этих материалов с помощью измерительного прибора - оптического спектрофотометра.

Из спектра поглощения для Ge (рис. 6.3, а), видно, что началу непрямых переходов соответствует быстрое увеличение коэффициента поглощенияначиная с энергии квантов света 0,62 эВ, соответствующей ближней инфракрасной (ИК) области спектра. Эта энергия приблизительно соответствует ширине запрещенной зоны германия, равной 0,67 эВ. Прямые переходы в германии наблюдаются при возрастании энергии квантов проходящего света до 0,81 эВ, что сопровождается появлением второго крутого участка на кривой поглощения рис. 6.3,а. При дальнейшем увеличении энергии квантов света коэффициент поглощения увеличивается до значения>106м-1, то есть образец практически перестает пропускать свет.

Wg(T)=Wg(0)bT,

где Wg(T) - ширина запрещенной зоны при температуре Т; Wg(0) - ширина запрещенной зоны при Т0;b - постоянный коэффициент.

Измерения спектра поглощения для Si (рис. 6.3, б) показывают, что край основной полосы поглощения начинается с энергии 1,09 эВ, приблизительно равной ширине запрещенной зоны кремния. Согласно структуре энергетических зон кремния (рис. 1.21,а) в данном случае наблюдаются непрямые переходы. При энергии квантов света, превышающей 1,09 эВ коэффициент поглощениябыстро возрастает и образец перестает пропускать свет.

Таким образом, измерения коэффициента поглощения света в полупроводниках позволяют установить оптическую ширину запрещенной зоны в полупроводниках, а также изучить их зонную структуру.

Из исследований температурной зависимости оптических спектров поглощения полупроводников установлено, в частности, что повышение температуры, как правило, ведет к уменьшению ширины запрещенной зоны полупроводника по линейному закону

Примесное поглощение.В примесных полупроводниках под действием света может происходить переброс электронов как с примесных уровней в зону проводимости, так и из валентной зоны на примесные уровни, расположенные в запрещенной зоне (рис. 6. 4,а). Такое поглощение света называетсяпримесным. Примесное поглощение наблюдается, как правило, при температурах ниже температуры жидкого азота, когда большая часть атомов примеси не ионизирована, и электроны и дырки находятся на примесных уровнях.

В качестве примера на рис. 6.4, бприведен спектр примесного поглощения для образца кремния, легированного акцепторной примесью - бором. Из графика видно, что из-за низкой энергии ионизации примеси бора (Wa= 0,045 эВ) пики примесного поглощения, обусловленные переходом электронов с примесных уровней в зону проводимости, смещены от края собственного поглощения в область длинных волн (влево по оси энергий в далекую ИК область). По результатам измерений спектров примесного поглощения можно получить сведения о величине энергии ионизации мелких примесных центров с достаточно высокой точностью. Наличие нескольких максимумов на спектре свидетельствует о том, что электроны на примесных уровнях могут находиться в основном и возбужденном состояниях, подобно электрону в атоме водорода

Поглощение света свободными носителями заряда. Свет может вызывать переходы свободных носителей заряда с одних уровней зоны на другие. Эти переходы изображены на рис. 6.5,анаклонными стрелками.

Так как при таких переходах волновое число k носителя заряда изменяется на величинуk, то эти переходы сопровождаются обменом энергией с кристаллической решеткой полупроводника в виде фонона. Значение коэффициента поглощениясвободных носителей от энергии светаh(рис. 6.5,б) убывает с ростом энергии квантов света и растет с увеличением концентрации свободных носителей заряда

Поглощение света кристаллической решеткой.Свет может поглощаться кристаллической решеткой полупроводника в результате взаимодействия электромагнитного поля световой волны с движущимися (колеблющимися) зарядами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Такое поглощение света называетсярешеточным. Поскольку кристаллическая решетка может поглощать энергию электромагнитного поля лишь при определенных значениях энергии фотонов, спектр решеточного поглощения характеризуется рядом пиков поглощения. Например, для кремния решеточное поглощение наблюдается в диапазоне длин волн=7... 20 мкм, то есть в далекой ИК области спектра (рис. 6.6).

Экситонное поглощение света.При поглощении света полупроводником возможно такое возбуждение электрона валентной зоны, при котором электрон не переходит в зону проводимости, а образует с дыркой связанную систему, имеющую энергию, соответствующую тому или иному уровню в запрещенной зоне (рис. 6.7). Такая система электрон-дырка получила названиеэкситон.

Особенностью экситона является то, что электрон не закрепляется на том или ином уровне примесного центра, уже имеющемся в запрещенной зоне полупроводника. Скорее, экситон подобен атому водорода, в котором в качестве ядра выступает положительно заряженная дырка, а электрон занимает один из разрешенных уровней энергии. Перемещение экситона по кристаллу не создает электрического тока, поскольку вместе с электроном перемещается и дырка.

Экситон может разрушиться в результате теплового возбуждения, при котором создаются свободный электрон в зоне проводимости и свободная дырка в валентной зоне. Может также произойти исчезновение экситона путем рекомбинации с испусканием фотона или фононов. Электрон при этом возвратится в валентную зону.

Обобщенный оптический спектр поглощения полупроводника изображен на рис. 6.8, где показано относительное расположение различных видов оптического поглощения на оси энергий, соответствующей энергиям падающих фотонов света.

studfiles.net

6.2. Фотопроводимость полупроводников

При собственном и примесном поглощении света возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости полупроводника. Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретаемая полупроводником при облучении светом называетсяфотопроводимостью. Эффект фотопроводимости часто называютфоторезистивным эффектом, поскольку в результате освещения электросопротивление полупроводника падает. На основе фоторезистивного эффекта созданы полупроводниковые радиокомпоненты, предназначенные для регистрации светового излучения по величине фотопроводимости, называемыефоторезисторами. Чувствительный элемент фоторезистора представляет собой пленку монокристаллического или поликристаллического полупроводника с двумя омическими контактами, нанесенную на диэлектрическое основание.

Значение удельной фотопроводимости можно определить из выражения:

ф=q(nn+pp), (6.8)

где q-заряд электрона;n,р- подвижности электронов и дырок в полупроводнике, соответственно;n=nф-nо,p=pф-pо- избыточные (неравновесные) концентрации электронов и дырок в полупроводнике, возбужденном светом;nо,pо- равновесные концентрации свободных носителей заряда;nф,pф- общие концентрация электронов и дырок.

Под действием напряжения, приложенного к фоточувствительному полупроводниковому элементу, созданные светом носители заряда совершают дрейф и создают в электрической цепи ток, который называют фототокомJф. Спектральная зависимость фототока совпадает со спектром поглощения полупроводника и, в общем случае, имеет вид, представленный на рис. 6.9.

Из рис. 6.9 следует, что на спектральной зависимости фототока наблюдается два максимума. Первый максимум (кривая 1) совпадает с пиком примесного поглощения, приходящимся на диапазон энергий света, совпадающих с энергией ионизации примесного уровняWпр. Второй максимум (кривая2) приходится на диапазон энергий световых квантов, соответствующих энергии края основной полосы оптического поглощенияWg. При этом в области2наблюдается не только длинноволновый (слева отWg), но и коротковолновый спад фотопроводимости (справа отWg). Коротковолновый спад объясняется тем, что при энергиях кванта светаh>Wgкоэффициент поглощения светаочень велик, и весь свет поглощается в тонкой приповерхностной области полупроводника. В этой области время жизнии подвижностьносителей из-за высокой концентрации дефектов ниже, чем в объеме, соответственно меньше и величина фототока.

Важной характеристикой внутреннего фотоэффекта является квантовый выход внутреннего фотоэффекта. Это количество пар носителей заряда, приходящихся на один поглощенный квант. В фотоэлектрически активной части оптического излучения квантовый выход чаще всего равен единице. С ростом энергии кванта света квантовый выход возрастает до 3...4 единиц. При поглощении фотонов большой энергии, соответствующей проникающему рентгеновскому или-излучению (W=10 кэВ...1 МэВ), квантовый выход возрастает до нескольких десятков.

Релаксация фотопроводимости. После прекращения облучения проводимость полупроводника за промежуток времени, равный времени жизни носителей , возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. Рассмотрим закономерности нарастания и спада фотопроводимости полупроводника после включения и выключения источника света (рис. 6.10, а).

В результате включения источника света в полупроводнике происходит генерация носителей заряда с постоянной скоростью Go, которая определяется из соотношения

Gо=I, м-3с-1, (6.9)

где  -квантовый выход внутреннего фотоэффекта, -коэффициент поглощения, м-1; I -интенсивность падающего света, м-2с-1, измеряемая числом квантов, падающих на единицу поверхности полупроводника в одну секунду.

Одновременно в полупроводнике идет процесс рекомбинации носителей, происходящий со скоростью рекомбинации R=n/, где n -неравновесная концентрация носителей заряда,  - время жизни свободных электронов.

Скорость возрастания концентрации избыточных носителей заряда по аналогии с (2.47) задается дифференциальным уравнением

. (6.10)

Решение уравнения (6.10) записывается в виде

, (6.11)

где nст=G0 - установившаяся концентрация избыточных носителей при стационарных условиях освещения.

При сравнительно слабых интенсивностях светового потока I соблюдается линейная зависимость между концентрацией избыточных носителей заряда и значением фотопроводимости полупроводника. Соответственно, для нарастания фотопроводимости полупроводника справедливо выражение

, (6.12)

где ст - установившаяся фотопроводимость.

После прекращения освещения скорость генерации носителей заряда Gо=0 и концентрация неравновесных носителей заряда начинает снижаться. Процесс снижения концентрации описывается однородным дифференциальным уравнением рассасывания вида (2.47), решение которого записывается в виде (2.48). График функции (6.112) представлен на рис. 6.10, б в виде заднего фронта кривой nф= f(t). Из графика следует, что после прекращения освещения концентрация избыточных носителей заряда уменьшается по экспоненциальному закону. Соответственно, спад фотопроводимости полупроводника определяется соотношением

. (6.13)

Из уравнений (6.12), (6.13) и графика рис. 6.10, б следует, что крутизна фронтов нарастания и спада фотопроводимости увеличивается с уменьшением времени жизни неравновесных носителей заряда. Иными словами, чем меньше время жизни неравновесных носителей заряда, тем выше быстродействие фотополупроводникового прибора.

Заметим, что с увеличением интенсивности светового потока I часть ловушек захвата в полупроводнике начинает превращаться в рекомбинационные центры, что должно привести к увеличению скорости рекомбинации R и уменьшению времени жизнинеравновесных носителей заряда.

Фоторезисторы. Принцип действия фоторезисторов – фотоэлектрических полупроводниковых приемников излучения, основан на фоторезистивном эффекте. Фоторезисторы находят применение в устройствах коммутации электрических цепей, а также в различных ключевых и аналоговых устройствах систем автоматического управления, контроля и регулирования различных физических величин.

Устройство фоторезистора показано на рис. 6.11. Светочувствительный элемент фоторезистора представляет собой прямоугольную или круглую таблетку, спрессованную из полупроводникового материала, или тонкую пленку1 на стеклянной, слюдяной или керамической подложке 2. На концах светочувствительного элемента создают электроды 3 с малым сопротивлением.

Наиболее распространенными являются фоторезисторы на основе сернистого свинца (PbS), cеленистого свинца (PbSe), сернистого кадмия (CdS) и селенистого кадмия (CdSe). Высокая фоточувствительность сульфида и селенида кадмия обеспечивается введением в их состав сенсибилизирующих примесей, способствующих увеличению времени жизни основных носителей заряда. Донорной примесью обычно служит хлор, в качестве акцепторных примесей используются медь или серебро. Существенную роль в механизме проводимости играют также структурные дефекты.

Сернисто-свинцовые и селенисто-свинцовые фоторезисторы изготавливают нанесением на изоляционное основание тонкого полупроводникового слоя путем испарения в вакууме или химического осаждения. Селенисто-кадмиевые и сернисто-кадмиевые фоторезисторы в большинстве случаев выполняют из порошков CdSе и CdS путем прессования в виде таблеток, которые далее подвергают термической обработке и затем приклеивают к изоляционному основанию, на которое с целью создания контактов нанесены металлические электроды. В качестве светочувствительных элементов для изготовления фоторезисторов используют также монокристаллы CdSе и CdS. Монокристаллические образцы размером мм укрепляют на изолирующей подложке специальными лаками. Для создания омических контактов на края кристаллов наносят металлические электроды.

Вольтамперные характеристики фоторезистора без освещения и при освещении относительно небольшим световым потоком Ф почти линейны, их графики приведены на рис. 6.12, а.

Зависимость электросопротивления фоторезистора R = f(Ф) от величины светового потока Ф (функциональная характеристика) аппроксимируется приближенным соотношением вида R~Ф–1/2 (рис. 6.12, б). Темновое сопротивление фоторезистора при полной защите чувствительного элемента от излучения составляет (0,022100)106 Ом.

Отношение Rт/Rсв темнового сопротивления Rт фоторезистора к световому сопротивлению Rсв измеренному при освещенности в 200 лк, для различных типов фоторезисторов на основе CdS и CdSe колеблется в широком диапазоне от 3,5 до 1,5106 (обычно 150...1500), для фоторезисторов на основе PbS значение Rт/Rсв постоянно и равно 1,2 отн. ед.

Инерционность фоторезисторов определяется процессами релаксации фотопроводимости, контролирующими крутизну фронтов нарастания и спада фотопроводимости. Например, у приборов на основе CdS уменьшение чувствительности заметно уже на частоте около 100 Гц, а на основе PbS – на частоте более 1 кГц. Это означает, что инерционность фоторезисторов – величина порядка единиц мс.

В зависимости от типа используемого фоточувствительного материала фоторезисторы имеют различные спектральные характеристики, изображенные на рис. 6.12, в. Так, сернисто-кадмиевые и селенисто-кадмиевые фоторезисторы характеризуются максимумом чувствительности в видимой области спектра ( = 0,6 мкм и 0,8 мкм, соответственно). Фоторезисторы, выполняемые из сульфида свинца и селенида свинца имеют максимум спектральной чувствительности в инфракрасной области спектра ( = 1,8 мкм и 3,5 мкм, соответственно). Максимальную длину волны, при которой наблюдается внутренний фотоэффект, называют красной границей.

Область спектральной зоны чувствительности фоторезистора можно расширить на всю видимую часть спектра от 0,4 до 0,9 мкм, используя материалы на основе твердых растворов между CdS, CdSe, CdTe, например CdSe-CdTe.

Спектральные характеристики поликристаллических фоторезисторов, вследствие повышеной концентрации примесей в них, шире, чем монокристаллических, они растянуты за пределы границы собственного поглощения в область коротких длин волн (рис. 6.12, в).

Фоторезисторы являются составной частью оптико-электронного устройства – резисторного оптрона (оптопары). При этом фоторезистор и источник излучения заключены в общий светонепроницаемый корпус и находятся в оптической связи друг с другом. В качестве источника излучения применяют миниатюрные лампы накаливания, светодиоды, электролюминесцентные излучатели.

studfiles.net

17.11. Фотоэлектрические и излучающие полупроводниковые приборы. Фотоэлектрические полупроводники

3. 5. Фотоэлектрические свойства полупроводников

3.5.1. Фоторезистивный эффект

17.11. Фотоэлектрические и излучающие полупроводниковые приборы

Фотоэлектрические полупроводниковые приборы

Полупроводниковые фотоэлектрические приборы

Похожие статьи:

17.11. Фотоэлектрические и излучающие полупроводниковые приборы

Г л а в а 6 оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

6.1. Механизмы поглощения света

6.2. Фотопроводимость полупроводников