Фотоэлектрические явления. Фоторезисторы

Фотоприемники предназначены для преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию. В качестве полупроводниковых фотоприемников могут быть использованы фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры.

Фотоэлектрические явления, на основе которых строятся фотоприемники, можно разделить на три основных вида:

1) внутренний фотоэффект - изменение электропроводности (фоторезистивный эффект) вещества при его освещении;

2) фотоэффект в запирающем слое p-n-перехода - возникновение фото-ЭДС на границе двух материалов под действием света в полупроводниковых фотодиодах (см. ниже);

3) внешний фотоэффект - испускание веществом электронов под действием света  (в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах).

Фоторезистор – полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется при освещении.

В фоторезисторах реализуется внутренний фотоэффект - явление изменения проводимости материала под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения.

Механизм возникновения фотопроводимости можно объяснить следующим образом. В ²затемненном² полупроводнике имеется незначительное количество равновесных свободных носителей заряда (электронов и дырок), концентрация которых (n₀, p₀) определяется температурой кристалла.

Неосвещенный полупроводник обладает начальной проводимостью g_т, которая носит название темновой и имеет две составляющие:

g_т = g_тn +g_тp = en₀m_n + p₀m_p,                          (4.8)

где n₀, p₀ - концентрация равновесных подвижных носителей заряда в полупроводнике в неосвещенном состоянии.

Под действием поглощенных квантов света проводимость полупроводника увеличивается за счет дополнительных (избыточных) носителей заряда, появляющихся за счет фотоионизации атомов в кристалле. Дополнительные носители называются неравновесными; их концентрация не определяется температурой кристалла, но зависит от величины светового потока и после выключения неравновесные носители, рекомбинируя, исчезают.

При фоторезистивном эффекте при облучении световым потоком Ф (люмен, лм) в результате генерации в полупроводнике увеличивается концентрация носителей заряда на величину концентрации неравновесных электронов Dn и дырок Dp, и поэтому полная (общая) проводимость g_общ материала, также имеющая электронную и дырочную составляющие, возрастает,:

g_общ = e[(n₀ + Dn)m_n + (p₀ + Dp)m_p)].                             (4.9)

Изменение электропроводности полупроводника под действием света характеризует величину его фотопроводимости g_ф, которая определяется как

g_ф = Dg = g_общ - g_т = е(Dnm_n + Dpm_p),                           (4.10)

и изменяется в зависимости от яркости света, длины волны и т.п.

Темновое значение проводимости g_т обычно крайне мало по сравнению с значение фотопроводимости g_ф и значением g_т можно пренебречь, так что

g_ф » g_общ.                                     (4.11)

Приняты обозначения: ток I_т при световом потоке Ф = 0 - темновой ток, ток I_общ при Ф ¹ 0 - общий ток; разность этих токов равна фототоку I_ф:

I_ф = I_общ - I_т .                                         (4.12)

Условное обозначение фоторезистора и ряд его характеристик приведены на рис. 4.4.

Можно выделить следующие основные параметры и характеристики фоторезисторов:

1) вольтамперная характеристика (рис. 4.4, а) -  зависимость тока I через фоторезистор от напряжения U при различных значениях светового потока Ф, лм;

а)                                        б)                         в)                         г)

Рис. 4.4. Характеристики и УГО фоторезистора

2) энергетическая характеристика - зависимость фототока I_ф резистора от светового потока Ф, лм, при фиксированном напряжении U на резисторе (рис. 4.4, б). Энергетическая характеристика иногда называется люкс - амперной; в этом случае по оси абсцисс откладывается не световой поток, а освещенность Е_е в люксах;

3) токовая чувствительность S - отношение фототока (или его приращения) к величине светового потока Ф (или его приращения):

S_ф = I_ф/Ф;                                             (4.13)

Чувствительность называют интегральной S_инт, если ее измеряют при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава.

В качестве одного из основных параметров фоторезистора используют величину удельной интегральной чувствительности:

S_{ф инт уд} = I_ф/(ФU).                              (4.14)

Фактически, удельная интегральная чувствительность равна токовой чувствительности, когда к фоторезистору приложено напряжение U = 1 В.

Удельные интегральные чувствительности различных фоторезисторов лежат в пределах от 1 мА/(В×лм) до 600 мА/(В×лм). В том случае, когда оценивается действие монохроматического излучения, используется монохроматическая величина чувствительности S_l;

5) спектральная характеристика фоторезистора представляет собой зависимость фототока I_ф(l) от длин волн света, падающего на резистор (рис. 4.4, в). При больших длинах волн (не активный свет), т. е. при малых энергиях квантов света по сравнению с шириной запрещенной зоны полупроводника, энергия фотонов оказывается недостаточной для ²переброса² электрона из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому для каждого полупроводника и, соответственно, для каждого фоторезистора существует пороговая длина волны l_кр, которую экспериментально определяют как длину волны, соответствующую спаду фототока на 50 % со стороны больших длин волн. Световые волны, способные производить фотоэффект, называются активным светом. Пороговая длина волны l_кр характеризует так называемую красную границу внутреннего фотоэффекта. По мере уменьшения длины волны при l < l_кр, фототок растет, т.к. за счет увеличения энергии квантов возрастает вероятности ионизации атомов.

Однако, при малых длинах волн по мере уменьшения длины волны активного света, падающего на фоторезистор, растет показатель поглощения материала. Поэтому глубина проникновения квантов света в полупроводник уменьшается, и основная часть генерируемых носителей заряда возникает не в объеме, а узком приповерхностном слое материала. Подобный процесс приводит к тому, что увеличивается роль поверхностной рекомбинации и уменьшается среднее время жизни носителей, и фототок падает. Таким образом, спектральная характеристика I_ф(l) имеет спад и при малых длинах волн.

Различные полупроводники имеют ширину запрещенной зоны от десятых долей до трех электрон-вольт. Поэтому максимум спектральной характеристики I_ф(l) различных фоторезисторов (рис. 4.4, г) может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра;

6) постоянная времени t - это время, в течение которого фототок резистора изменяется после начала освещения или после затемнения фоторезистора на 63% (в e раз) по отношению к установившемуся значению. Постоянная времени t связана со временем жизни неравновесных носителей и характеризует скорость реакции (инерционность) фоторезистора на изменение светового потока;

7) темновое сопротивление - это сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения. Величина темнового сопротивления R_т составляет единицы и десятки МОм; значение R_т принято определять через 30 с после затемнения фоторезистора, предварительно освещенного, что обусловлено инерционностью рекомбинационных процессов после прекращения освещения. Например, у фоторезисторов ФСК-1 отношение темновых сопротивлений, измеренных после затемнения через 30 с и через 16 ч, может достигать трех порядков.

Основной частью конструкции фоторезистора является полупроводниковый фоточувствительный слой, который может быть выполнен в виде монокристаллической или поликристаллической пленки полупроводника, нанесенной на диэлектрическое основание (подложку). На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды.

Фоторезисторы обычно имеют поверхность чувствительного слоя в виде меандра, кольца или прямоугольной формы. Площадь активной поверхности различных фоторезисторов достигает десятков квадратных миллиметров.

Обозначение фоторезисторов ранних выпусков: первый элемент×- буквы, обозначающие тип прибора, например, ФС - фотосопротивление; второй - буква, обозначающая материал чувствительного элемента (Ф - сернистый свинец, К - сернистый кадмий, Д - селенистый кадмий). В обозначении могут быть буквы: Г - герметичный тип исполнения, П - пленочный тип исполнения, М - монокристаллический тип, а также цифры, характеризующие тип конструктивного исполнения.

Современное обозначение: первый элемент - буквы СФ (сопротивление фоточувствительное), второй элемент - цифра (2 - К, 3 - Д; 4 - Ф). Третья цифра отмечает номер разработки. Например: ФСК-7; СФ2 - 1.

Эффект Ганна. Диод Ганна

Эффектом Ганна называется явление возникновения высокочастотных колебаний тока в образце, к которому приложено постоянное напряжение. При этом характерным является образование на вольтамперной характеристике полупроводника участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Рассмотрим предпосылки данного явления. Согласно дифференциальному закону Ома проводимость полупроводников определяется выражением (3.7). Под действием напряжения U в образце возникнет электрическое поле напряженностью E = U/l, так что электроны и дырки, двигаясь в различных направлениях, приобретают дрейфовую скорость v_др: v_дрn = m_n E, v_дрр = m_p E.

При этом ранее принималось, что величины концентрации носителей заряда и их подвижности не зависят от значения напряженности электрического поля. Однако, в сильных электрических полях (Е > 10⁵ В/м) концентрации и подвижности носителей заряда зависят от напряженности электрического поля в широких пределах, так что при фиксированной температуре проводимость, плотность тока в целом являются нелинейной функцией от напряженности (напряжения):

g(Е) = en(Е)m_n(Е) + ep(Е)m_p(Е);                   (4.15)

j(Е) = g(Е)E = g_n(Е)Е+ g_p(Е)Е.                     (4.16)

Следует учитывать, что образование и перемещение носителей заряда в полупроводниках подчиняется квантово-механическим законам, выводы которых можно сформулировать следующим образом.

Во-первых, кристаллы полупроводников обладают ярко выраженными анизотропными свойствами, в частности, параметры проводимости, сопротивления, а значит, и токи через кристаллы, зависят от того, в каком направлении двигаются электроны и дырки.

Во-вторых, электроны и дырки, генерируемые под действием температуры, по ряду характеристик отличаются от свойств свободного электрона в вакууме, обладающего массой m_e. Поэтому в квантовой теории полупроводников вводятся понятия ²эффективные массы² электронов m_n и дырок m _р, определяемые как

m_n = am _е; m _р = с m _е,                             (4.17)

где a , с – известные коэффициенты, которые могут быть как больше, так и меньше единицы (см. таблицу 2.2).

В-третьих, в полупроводнике могут одновременно присутствовать совокупность быстрых n₁ и медленных n₂ носителей заряда, например, электронов, различающихся по эффективной массе m_n1 < m_n2, и, соответственно, по подвижности  m_n1 >m_n2. Причиной подобного поведения электронов является их энергетическое взаимодействие с узлами реальной кристаллической решетки полупроводника.

Суммарная концентрация электронов равна n₀, при этом часть электронов c концентрацией n₁ обладает малой массой m_n1, а другая (с концентрацией n₂) - большой эффективной m_n2 массой. Концентрации n₀, n₁, n₂ могут быть рассчитаны методами квантовой статистики, в частности, расчеты показывают, что при фиксированной температуре всегда выполняется условие

n₀ = n₁ + n₂,                                           (4.18)

В частности, в кристалле GaAs (без приложенного напряжения) отношение подвижностей носителей m_n1/m_n2 = 40; эффективных масс электронов m_n2/m_n1 = 16.

Другими словами, в теории полупроводников вводится понятие ²тяжелых² и ²легких² электронов, различающихся не только по эффективной массе, подвижности, но и по концентрациям.

Наконец, теория показывает, что вероятность образования ²легких² или ²тяжелых² электронов, зависит от того, какую энергию получают электроны от приложенного электрического поля, т.е. от приложенного к образцу напряжения. При приобретении определенной энергии ²легкие² электроны, ускоренные в некотором пороговом поле напряженностью E_пор, становятся ²тяжелыми², и, в конечном счете, их скорость уменьшается.

Рассмотрим последствия изменения концентрации и подвижности носителей заряда от напряженности (напряжения), приводящие к эффекту Ганна, на примере кристалла арсенида галлия GaAs n-типа.

Имеем полупроводник GaAs в форме параллелепипеда сечением S, к которому приложено постоянное напряжение U (рис. 4.5, а). В образце длиной l (примерно 1-200 мкм) появляется электрическое поле со средней напряженностью

Е_ср = U/l.                                               (4.19)

а)                                                         б)

Рис. 4.5. Кристалл GaAs (а) и его вольтамперная характеристика (б)

Увеличивая напряжение на кристалле, проанализируем зависимость плотности тока от напряжения j(U). Оказывается, характеристика плотности тока данного кристалла от напряжения имеет нелинейный характер (рис. 4.5, б), причем в области напряжений U_B…U _С возникает участок с так называемым отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС), т.к. r = dU/dI < 0. Примечательным является то, что в области напряжений U_B…U _С в цепи возникают высокочастотные колебания тока (рис. 4.6, в).

Нелинейность характеристики, приводящая к эффекту Ганна, может быть объяснена следующим образом.

При отсутствии напряжения U = 0 (электрического поля нет) при естественных температурах в образце имеются электроны, обладающие как высоким, так и низким значениями подвижности. При выполнении условия (4.18) соблюдается: n₂/n₁ = 2,3×10^-3, т.е. с учетом соотношения их концентраций (n₁ >> n₂), можно считать, что все электроны в малых полях обладают подвижностью m₁ (практически все электроны - ²легкие²).

 

а)                                             б)                                                           в)

Рис. 4.5. Распределение концентрации и электрического поля в образце
без доменов (а), с доменами (б), зависимость плотности тока от времени (в)

При приложении к полупроводнику электрического напряжения (²-² на катоде, ²+² на аноде) в объеме материала возникает электрическое поле напряженностью Е(U), возрастающей по мере увеличения напряжения, и через материал начинает протекать электрический ток с плотностью j(U).

Первоначально, зависимость плотности j (или силы тока I) от напряженности (или напряжения) может быть представлена кривой, изображенной на рис. 4.4, б, участок 0А. В слабых полях (Е < E_пор = U _В/l) практически все электроны имеют скорость v₁ = m₁E, а проводимость и плотность тока равны

g(Е) = en₁m₁(Е); j(Е) = g(Е)Е; I(U) = j(Е)S.                      (4.20) 

Другими словами, с учетом выражений (4.20) можно получить, что зависимость плотности тока от напряжения на различных участках (ВАХ) имеет наклон dj/dE = dI/dU ~ m,  поэтому оказывается, что на участке 0А плотность тока j(U) ~ m₁, а на участке С D - j(U) ~ m₂.

По мере увеличения напряжения U, и, значит, напряженности электрического поля Е, возрастают дрейфовая скорость и энергия электронов, двигающихся от катода к аноду. По мере роста энергии электронов изменяются условия их энергетического взаимодействия с узлами кристаллической решетки, и в результате этого (при U > U _В) увеличивается концентрация тяжелых электронов с меньшей подвижностью.

Все это приводит к тому, что как только напряжение на образце достигнет значений U > U _В (рис. 4.5, б), плотность j(U) тока (ток) уменьшается по мере роста напряжения, но после напряжения U > U_C наклон (dj/dU) характеристики изменяется, подтверждая, что j(U) ~ m₂. С позиции квантовой механики это может быть объяснено тем, что в материале начинают доминировать электроны с меньшей подвижностью - ²тяжелые² электроны.

На участке II (рис. 4.5, б) значение плотности (или силы тока) уменьшается с ростом напряженности (или напряжения); подобная зависимость тока от напряжения называется N-образной вольтамперной характеристикой, а участок II - участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (участок ОДС).

Приборы, обладающие N-образной вольтамперной характеристикой, служат для генерации, усиления и преобразования электромагнитных колебаний.

В самом деле, в диоде Ганна, обладающем N-образной характеристикой, возникают колебаний тока, что может быть объяснено следующим образом.

Допустим (рис. 4.6, а), что в однородном кристалле n-типа длиной l первоначально имеется равновесная концентрация носителей заряда n₀. По мере увеличения напряжения до величины U _В в момент времени t₀ (рис. 4.6, в) величина напряженности электрического поля Е в объеме материала достигла значения Е_пор. Значение плотности тока при этом (рис. 4.6, б, точка В) равно

j_max = en₀m₁E= en₀v₁.                                     (4.21)

Оказывается, что состояние полупроводника в точке В является неустойчивым: за счет так называемых ²краевых эффектов² на границе полупроводникового материала (на контактах) значение напряженности Е_к(0) и Е_к(l) всегда должно быть больше, чем в объеме. Поэтому вблизи контактов (рис. 4.6, б, области 0 < X < l₁ и l > X > l₄) достигается значение Е_к > E_пор. Заметим, что в силу того, что напряжение на кристалле постоянно и равно линейному интегралу от напряженности поля по длине полупроводника

,                                                 (4.22)

в диапазоне l₁ < X < l₄ величина напряженности Е _V в объеме Е _V < Е_пор. В самом деле, для того чтобы интеграл (напряжение) был постоянным при увеличении Е_к, необходимо, чтобы в объеме значение Е _V – уменьшалось.

Повышенное значение напряженности Е_к > E_пор в локальной области (0< X < l₁) полупроводника приводит к увеличению концентрации ²тяжелых² электронов за счет уменьшения концентрации ²легких².

В то же время пониженное значение напряженности Е _V < E_пор собственно в области (l₂ < X < l₄) полупроводника оставляет концентрацию ²легких² электронов неизменной.

Обратим внимание на область полупроводника, примыкающую к катоду (0 < X < l₂). В левой части этой области при 0 < X < l₁ за счет повышенной напряженности поля вблизи катода возникают "тяжелые" электроны, которые начинают более медленно дрейфовать к аноду. В то же время, из правой части области с координатами (l₁ < X < l₂) продолжают уходить более быстрые электроны. Поскольку ²тяжелые² электроны, выходящие от катода, не успевают своевременно замещать уход быстрых электронов, то в объеме области с координатами l₁ < X < l₂ возрастает локализованный заряд нескомпенсированных положительных ионов доноров, которые ранее электрически компенсировались подходящими от катода ²легкими² электронами.

В связи с этим говорится, что в области катода образуется электрический ²домен², который состоит из двух разделенных слоев (²тяжелых² электронов и нескомпенсированных ионов доноров). Электрическое поле внутри  домена Е_дом, достигающее в максимуме E_д, направлено так же, как и внешнее электрическое поле E. По мере формирования домена его электрическое поле Е_дом возрастает, но, соответственно, с учетом (4.22), за пределами домена напряженность поля уменьшается до величины E_V, перераспределяясь по длине кристалла (рис. 4.5, б): чем больше значение E_д, тем меньше величина E_V.

При выполнении условия (4.22) поле в образце перераспределяется по длине. Это приводит к тому, что скорость ²тяжелых² электронов внутри домена возрастает, а скорость "легких" электронов за пределами домена - уменьшается. В устанавливающемся равновесном состоянии скорость движения "тяжелых" электронов (v_т) достигает значения скорости "легких" (v_л), так что

v_т = v_л < v₁,                                        (4.23)

где v₁  - скорость легких носителей в отсутствие образованного домена.

Очевидно, что скорость передвижения "тяжелых" электронов становится равной скорости перемещения домена (v_д) в объеме образца. Другими словами, сформированный домен передвигается в образце со скоростью v_дср.

После образования домена (промежуток времени t₀…t₁) и его движения через объем кристалла (промежуток времени t₁…t₂) плотность тока уменьшится и будет равна

j_min = en₀m₂E_V = en₀v_дср < en₀v₁.                            (4.24)

В интервале времени t₂…t₃ домен достигает области анода и постепенно исчезает; плотность тока вновь возрастает, и электрическое поле в объеме материала достигает исходных значений. Далее процесс повторяется путем формирования нового домена на катоде.

С учетом вышесказанного, период Т возникающих колебаний плотности тока может быть охарактеризован средним временем пролета домена через длину полупроводника:

T = l/v_дср.                                             (4.25)

Очевидно, что частота колебаний тока будет определяться геометрией образца и свойствами полупроводникового материала, влияющими на скорость движения доменов:

f = 1/T= v_дср/l.                                         (4.26)

Полупроводниковые устройства, предназначенные для получения электрических колебаний на основе эффекта Ганна, называются генераторами Ганна (генераторными диодами или генераторами Ганна). Заметим, что несмотря на характерное название, диоды Ганна не содержат р-n-перехода, свойства которого рассмотрены ниже.

Диоды Ганна имеют обозначения, например, АА721, АА718, АА727. Основными параметрами являются: рабочие частоты (до 100-200 ГГц), постоянный рабочий ток (0,2-2 А), постоянное рабочее напряжение (10-80 В), мощность рассеивания (3-17 Вт).

⇐ Предыдущая234567891011Следующая ⇒

Поделиться: