1.1.3. Фоторезисторы

При освещении однородного полупроводника его электропроводность увеличивается (У.Смит, 1873). Это явление называют фотопроводимостью, а соответствующий прибор — фоторезистором. Схема наблюдения фотопроводимости показана на рис. 1.4, а. Если под действием света возникают только электроны в зоне проводимости, то добавочный ток (фототок) Iф = qnфυds, где q — заряд электрона; пф — концентрация неравновесных (избыточных) электронов; υd E — дрейфовая скорость; μ — подвижность электронов; E — напряженность поля; s—сечение образца. Если свет создает электронно-дырочные пары, то возникает и дырочная составляющая фототока. В большинстве случаев, однако, добавочная концентрация дырок (либо электронов) мала по сравнению с их темновой концентрацией или подвижность носителей заряда определенного знака мала в данном веществе, поэтому достаточно рассматривать фототок, связанный с носителями только одного типа.

Концентрация фотоэлектронов определяется скоростью генерации и временем τ их жизни в полосе проводимости: nф = Gτ. С помощью выражения (1.3) получим, что у освещенной поверхности (х = 0) скорость генерации

,

где Ф1(0) — плотность падающего светового потока. Полагая, для простоты, что генерация идет равномерно по объему в слое полупроводника толщиной х* (в этом слое поглощается 2/3 фотонов), получим

(1.6)

Так как α=1/х*, общий световой поток Ф = Ф1аb, а произведение τυd имеет смысл расстояния у, которое проходит электрон за время τ, фототок

, (1.7)

где y = τυd= τ μ E. Фототок растет с увеличением Ф и напряженности поля E (или напряжения U=b E).

Квантовый выход η2фоторезистора равен числу электронов, прошедших через образец за 1 с в расчете на каждый фотон, упавший за то же время на поверхность образца:

. (1.8)

Здесь Z—коэффициент усиления, зависящий от напряженности поля. В данном случае Z показывает, сколько раз за время жизни τ электрон может пройти через образец длиной b. С увеличением напряженности поля у растет и Z может достигать значений 1·105. Выражение для выхода (1.8) соответствует случаю, когда отражения света от поверхности полупроводника нет. Если коэффициент отражения r>0, то η21Z(1-r). Для германия в области собственного поглощения r=0,4÷0,5.

Из выражения (1.7) следует, что фототок пропорционален Ф. Экспериментальные зависимости Iф(Ф) показывают ослабление зависимости Iф(Ф) при больших световых потоках (рис. 1.4,6). Это связано с тем, что при больших Ф и соответствующих ηф время жизни τ электронов может уменьшаться, например, из-за увеличения при освещении концентрации носителей противоположного знака (в данном случае—дырок).

В области собственного поглощения с ростом частоты может наблюдаться уменьшение Iф, связанное с падением τ в тонких слоях полупроводника у поверхности вследствие более быстрой рекомбинации носителей через локальные энергетические состояния.

Инерционность фоторезисторов определяется часто не столько временем τ, сколько участием ловушек (рис. 1.4, в). После попадания электронов в полосу проводимости они могут захватываться пустыми уровнями примесей или дефектов решетки, причем время нахождения электронов на этих уровнях растет с увеличением их глубины и с понижением температуры. Только после теплового освобождения электронов они могут рекомбинировать с дырками (переход R). Процессы захвата носителей ловушками («прилипание» электронов и дырок) весьма затягивает рост фототока после включения света и спад после его выключения. В результате фоторезисторы обладают большей, чем другие фотоприемники, инерционностью (табл. 1.1). Как это обстоятельство, так и температурная зависимость параметров резисторов ограничивают их использование.

Фоторезисторы могут иметь в качестве чувствительного элемента монокристалл полупроводника, пленку полупроводника на диэлектрике или таблетку прессованного порошкообразного материала. Последний способ применяют, например, при изготовлении промышленных фоторезисторов из сульфида или селенида кадмия. Фоторезисторы на основе селенида кадмия (типа ФСД) имеют темновое сопротивление ~106 Ом, максимум спектральной характеристики в области 0,7 мкм, работают при напряжении 20 В и имеют постоянные времени роста и спада фототока τ1 = 40 мс и τ2 = 20 мс. Их интегральная чувствительность при использовании общего излучения теплового источника света с цветовой температурой 2840 К составляет SI = 600 мА/лм (при освещенности 200 лк).

Фоторезисторы на основе сульфида свинца являются менее инерционными (τ = 0,1 мс) и обладают высокой обнаружительной способностью D* (2,4 мкм, 780 Гц, 1 Гц) = 1,5 · 1011 см· Гц1/2 ·Вт-1 при 295 К. Понижение температуры приводит к увеличению D*.

Введение в оптоэлектронику


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.