Фотопроводимость

Фотопроводимость — это свойство полупроводников увеличивать электропроводность под воздействием электромагнитного излучения.

Полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление ко­торых изменяется под воздействием лучистой энергии, называют фо­торезисторами. Энергия светового потока Ф [лм], поглощенная по­лупроводником, вызывает образование в нем электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из ВЗ в ЗП, в результате чего удельная электропроводность полупроводника возрастает. Разница между током, текущим по освещенному фоторезистору (световой ток), и током, проходящим через него в темноте (темновой ток), при неизменном значении приложенного напряжения называют фото­током Тф. Зависимость величины фототока от освещенности выража­ется формулой

/_Ф = ВЕ\ (8.10)

где Е — освещенность (плотность светового потока, Е (лк) = Ф (лм) / S (м²)); В их— постоянные, характеризующие полупровод­ник; при этом, как правило, 1 > х > 0.

Если величина напряжения U, приложенного к фоторезистору, постоянная, то освещенность, создаваемая осветительной лампой, пропорциональна току накала /_н лампы:

Е=К1_Н. (8.11)

Используя (8.10) и (8.11), устанавливаем зависимость удельной фотопроводимости у_ф полупроводникового материала от величины тока накала /_н лампы:

У*=Т⁼^1Г- ^{= с1}»' ^(8Л2)

где с — постоянная, характеризующая полупроводник.

Поглощение световой энергии полупроводником связано с раз­личными процессами: переходом электронов из ВЗ в ЗП, изменени­ем энергии колебательного движения как собственных атомов ре­шетки, так и атомов примеси и др. Следовательно, не все частицы световой энергии — фотоны — идут на образование электронно-ды­рочных пар. Фотопроводимость собственных полупроводников обра­зуется только в случае, если энергия поглощаемого фотона 1¥_ф будет достаточной для перемещения электрона из самого верхнего энерге­тического уровня ВЗ на самый нижний уровень ЗП, т. е. \¥_ф стано­вится равной ширине 33 (A W) полупроводника. Это поглощение световой энергии называют собственным, и при нем, как уже отмеча­лось, образуется пара свободных носителей заряда — электрон и дырка.

В примесных (легированных) полупроводниках под действием фотонов происходит переход электронов из ВЗ на примесные (ак­цепторные) уровни или с примесных (донорных) уровней в ЗП. Это поглощение называют примесным, и оно приводит к образованию свободных носителей заряда одного знака — дырок или электронов.

Удельная электропроводность у₀ полупроводника в отсутствие внешнего энергетического воздействия (в том числе и света) опреде­ляется равновесной концентрацией свободных носителей заряда — электронов — щ и дырок — р₀, генерируемых за счет тепловой энер­гии решетки, их подвижностью а_п и я_р и зарядом q:

Уо = qn₀a_n + qp_Qa_v. (8.13)

Под действием световой энергии в полупроводнике увеличивает­ся концентрация свободных носителей заряда за счет носителей, об­
разующихся в результате поглощения фотонов света; удельная элек­тропроводность у при этом возрастает:

у = qa_n(n₀ + An) + qa_p(p₀ + Ар),

где An и Ар — концентрация неравновесных носителей заряда соот­ветственно электронов и дырок, возбужденных квантами света.

(8.15)

Рис. 8.6. Общий вид зави­симости удельной фотопро­водимости у_ф полупровод­ников от освещенности

Удельная фотопроводимость у_ф представляет собой разность зна­чений удельной электропроводности полупроводника при воздейст­вии света у и в отсутствие освещенности у₀:

Уф = У ~ Уо = Я(&па_п + Apa_v).

Если энергия фотонов обеспечивает появление фотопроводимо­сти, то с увеличением освещенности Е значение у_ф возрастает (рис. 8.6). Под действием светового потока наблюдаются два процес­са — генерация и рекомбинация зарядов, которые по-разному влияют на фотопрово­димость. С увеличением освещенности, с одной стороны, возрастает генерация заря­дов и, следовательно, их концентрация, что приводит к увеличению у_ф; с другой сторо­ны, возрастает рекомбинация носителей за­рядов, поскольку одновременно увеличива­ется их число как одного, так и другого знака, что приводит к снижению у_ф. Каж­дый раз между этими двумя процессами ус­танавливается динамическое равновесие. Зависимость фотопроводимости от осве­щенности у разных полупроводников раз­личная (в общем виде представлена на рис. 8.6).

Зависимость у_ф полупроводников от освещенности используется в технике для создания различных фоточувствительных приборов, работающих в широком диапазоне длин волн: от длинных инфра­красных до коротких ультрафиолетовых.

(8.14)

Энергию фотона Ж_ф, эВ, затрачиваемую на образование в собст­венном полупроводнике электронно-дырочных пар за счет перебро­са электронов из ВЗ в ЗП, можно определить по формуле:

с 12,42 10"

IV =h\ = h

1,24

(8.16)

А,[м] А, [мкм]

^ф X

где h — постоянная Планка, равна 4,14-Ю^-15 эВ с; с — скорость света, равна 3-Ю⁸ м/с; v и X — частота и длина волны падающего света.

Ширина запрещенной зоны A W многих полупроводниковых ма­териалов изменяется обычно от нескольких десятых долей электрон-

Рис. 8.7. Удельная фотопроводимость у_ф в произвольных едини­цах монокристаллического CdS (/), поликристаллического CdS (7'), Bi₂S₃ (2),Ge (J)в зависимости от длины волны Xпадающего света:Х_г— граничная длина волны, ТХ — «тепловой хвост»

вольт максимум до 3 эВ, поэтому фотопроводимость может обнару­живаться в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра.

Фоторезисторы нелинейно изменяют свою фотопроводимость от длины волны падающего света. Как видно из рис. 8.7, на кривых за­висимостей у_ф от X отмечается максимум, который у каждого полу­проводникового материала проявляется при определенной длине волны А,_м. На положение этого максимума и форму самой кривой влияют содержание примеси, технология изготовления и образую­щаяся структура образца. Для каждого полупроводникового материа­ла существует некоторая граничная длина волны Х_Г9 при которой фото­проводимость еще обнаруживается, но при длине волны большей, чем Х_п фотопроводимость уже отсутствует (см. рис. 8.7). Эту макси­мальную длину волны, поглощаемую полупроводником и равную Х_п называют длинноволновой границей. При граничной длине волны Х_Г энергия фотона еще достаточна для переброса электрона из само­го верхнего энергетического уровня ВЗ на самый нижний уровень ЗП. В этом случае величину Ж_ф и, следовательно, ширину 33 можно определить, воспользовавшись выражением (8.16). У примесных по­лупроводников длинноволновая граница фотопроводимости опреде­ляется глубиной залегания примесных уровней в 33.

При X > Х_г на кривой зависимости у_ф от X наблюдается «тепловой хвост» (ТХ), природу которого можно объяснить следующим. Не­большая фотопроводимость ТХ имеет место потому, что, во-первых, переброс электронов из ВЗ в ЗП происходит под суммарным воздей­ствием как энергии фотонов, так и энергии тепловых колебаний ре­шетки и, во-вторых, — так как в результате флуктуации на какое-то мгновение изменяется (уменьшается) расстояние между атомами решетки и, следовательно, величина AW 33 становится меньше средней, поэтому пара электрон—дырка образуется под действием фотона с энергией, меньшей, чем AW 33. В случае X < Х_т фотопрово­димость определяется переходом электронов с более низких энерге­тических уровней ВЗ на более высокие уровни ЗП.

Определение ширины AW 33 полупроводника по длинноволновому краю фотопроводимости называют оптическим методом.

Для определения A W 33 оптическим методом правый участок за­висимости у_ф = ср(А,) экстраполируют до пересечения с абсциссой и находят граничную длину волны Х_г (см. рис. 8.7). На практике Х_г час­то определяют как длину волны (со стороны больших длин волн), соответствующую спаду фототока на 50 %. Для полупроводниковых материалов, приведенных на рис. 8.7, ^ равна у монокристалличе­ского CdS-0,52 мкм, Bi₂S₃~0,94 мкм, Ge~l,73 мкм. Подставив значение А,_г в формулу (8.16), находим «оптическую» ширину 33 по­лупроводникового материала, из которого изготовлен фоторезистор. Для Ge эта величина AW 33 будет равна 1,24: 1,73 = 0,72 эВ, для Bi₂S₃ = 1,3 эВ, для CdS - 2,4 эВ.

Численные значения ширины 33 одного и того же полупровод­ника, определенные разными методами, например по длинноволно­вому краю фотопроводимости и по температурной зависимости удельной электропроводности (см. формулу (8.7)), чаще всего близки друг к другу, но могут и отличаться (например, у полупроводников CdS, PbS, оксидов металлов).

Дата добавления: 2015-08-09