ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ОПТИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

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

Рассмотрим световой поток мощностью W_o, падающий нормально к поверхности полупроводниковой пластинки (рис. 5.1, а). Часть светового потока отражается от поверхности полупроводника. При этом доля отраженной энергии характеризуется коэффициентом отражения r=W_r/W_о 0,25...0,3, где W_r- мощность отраженного пучка света. Следовательно, мощность пучка отраженного света составляет W_r=r·W_о, а оставшаяся мощность светового потока, поступившего в полупроводник, W₁=(1-r)W_о.

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

dW=-aWdx, (5.1)

где a - коэффициент поглощения света, м^-1.

Знак минус в правой части формулы (5.1) указывает на уменьшение мощности света.

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

Интегрирование (5.1) с учетом отражения от поверхности позволяет найти решение этого дифференциального уравнения в виде

W=W₁e^-^a^x=W_o(1-r) e^-^a^x. (5.2)

Выражение (5.2) известно как закон Бугера-Ламберта. График этой функции, представленный в виде экспоненциальной зависимости интенсивности светового потока Ф от глубины х, отсчитанной от поверхности полупроводника, представлен на рис. 5.1, б.

Из графика рис. 5.1, б видно, что при х=a^-1 световой поток в полупроводнике убывает в e2,73 раза. Таким образом, коэффициент поглощения света a - 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.

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 называется фотопроводимостью. Эффект фотопроводимости часто называют фоторезистивным эффектом, поскольку в результате освещения электросопротивление полупроводника падает. На основе фоторезистивного эффекта созданы полупроводниковые радиокомпоненты, предназначенные для регистрации светового излучения по величине фотопроводимости, называемые фоторезисторами. 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:

Ds_ф=q(Dnm_n+Dpm_p), (5.8)

где q -заряд электрона; m_n, m_р - подвижности электронов и дырок в полупроводнике, соответственно; Dn=n_ф-n_о, Dp=p_ф-p_о - избыточные (неравновесные) концентрации электронов и дырок в полупроводнике, возбужденном светом; n_о, p_о - равновесные концентрации свободных носителей заряда; n_ф, p_ф - 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 фототоком J_ф. Спектральная зависимость фототока совпадает со спектром поглощения полупроводника и, в общем случае, имеет вид, представленный на рис. 5.9.

Из рис. 5.9 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 DW_пр. Второй максимум (кривая 2) приходится на диапазон энергий световых квантов, соответствующих энергии края основной полосы оптического поглощения DW_g. При этом в области 2 наблюдается не только длинноволновый (слева от DW_g), но и коротковолновый спад фотопроводимости (справа от DW_g). Коротковолновый спад объясняется тем, что при энергиях кванта света hn>DW_g коэффициент поглощения света a очень велик, и весь свет поглощается в тонкой приповерхностной области полупроводника. В этой области время жизни t и подвижность m носителей из-за высокой концентрации дефектов ниже, чем в объеме, соответственно меньше и величина фототока.

Важной характеристикой внутреннего фотоэффекта является квантовый выход внутреннего фотоэффекта b. 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 g-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 t, возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. Рассмотрим закономерности нарастания и спада фотопроводимости полупроводника после включения и выключения источника света (рис. 5.10, а).

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

G_о=baI, м^-3с^-1, (5.9)

где b -квантовый выход внутреннего фотоэффекта, a-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=Dn/t, где Dn -неравновесная концентрация носителей заряда, t - время жизни свободных электронов.

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

. (5.10)

Решение уравнения (5.10) записывается в виде

, (5.11)

где Dn_ст=G₀t - 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

, (5.12)

где Ds_ст - установившаяся фотопроводимость.

После прекращения освещения скорость генерации носителей заряда G_о=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 (5.112) представлен на рис. 5.10, б в виде заднего фронта кривой Dn_ф= f(t). Из графика следует, что после прекращения освещения концентрация избыточных носителей заряда уменьшается по экспоненциальному закону. Соответственно, спад фотопроводимости полупроводника определяется соотношением

. (5.13)

Из уравнений (5.12), (5.13) и графика рис. 5.10, б следует, что крутизна фронтов нарастания и спада фотопроводимости увеличивается с уменьшением времени жизни t 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 t 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. 5.11. Светочувствительный элемент фоторезистора представляет собой прямоугольную или круглую таблетку, спрессованную из полупроводникового материала, или тонкую пленку 1 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. 5.12, а.

Зависимость электросопротивления фоторезистора R = f(Ф) от величины светового потока Ф (функциональная характеристика) аппроксимируется приближенным соотношением вида R~Ф^–1/2(рис. 5.12, б). Темновое сопротивление фоторезистора при полной защите чувствительного элемента от излучения составляет (0,022¼100)×10⁶ Ом.

Отношение R_т/R_св темнового сопротивления R_т фоторезистора к световому сопротивлению R_св 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 R_т/R_св 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. 5.12, в. Так, сернисто-кадмиевые и селенисто-кадмиевые фоторезисторы характеризуются максимумом чувствительности в видимой области спектра (l = 0,6 мкм и 0,8 мкм, соответственно). Фоторезисторы, выполняемые из сульфида свинца и селенида свинца имеют максимум спектральной чувствительности в инфракрасной области спектра (l = 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. 5.12, 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.