21. Внутренний фотоэффект.

Изменение электрического сопротивления полупроводника под действием излучения называется внутренним фотоэлектрическим эффектом или фоторезистивным эффектом.

При внутреннем фотоэффекте первичным актом является по­глощение фотона. Поэтому процесс образования свободных носи­телей заряда под воздействием излучения будет происходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света. Если оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости, то имеет место собственная фо­топроводимость, обусловленная электронами и дырками. Для полупроводников с прямыми долинами при вертикальных переходах энергия фотона hν должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, т. е.

hν≥E_g

В случае непрямых переходов, когда сохранение квазиимпульса обеспечивается за счет эмиссии фонона, нижняя граница спектраль­ного распределения фотопроводимости будет лежать при

hv = E_g + E_p.

Для сильно легированного, полупроводника n-типа, когда уровень Ферми расположен выше края зоны проводимости на величину ξ_n, нижняя граница фотопроводимости будет соответствовать

hv = E_g + ξ_n

В сильно легированном полупроводнике р-типа уровень Ферми лежит на величину ξ_р ниже края валентной зоны, поэтому hv = E_g + ξ_p

При наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней примеси оптическое поглощение может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и зонами(переходы 2 и 3 рис.1). Такая фотопроводимость называется примесной фотопроводимостью.

22. Фото-резисторы, транзисторы, диоды.

Фоторезисторы

Фоторезистор является наиболее простым и наибо­лее универсальным датчиком – модулятором, применяемым в цепях оптоэлектроники.

Основные харак­теристики фоторезистора: световая, спектральная, ча­стотная, переходная, температурная.

В конструктивном отношении фоторезистор пред­ставляет собой объем полупроводника, заключенный между двумя электродами, проводимость которого из­меняется под действием падающего на него излучения.

Существуют две возможные принципиаль­ные конструкции фоторезисторов: поперечная (а), про­дольная (б).

В случае (а) прикладываемое к фоторезистору электрическое поле и возбуждающий свет действуют во взаимно перпен­ди­ку­лярных плоскостях, во втором (б) – в одной плоскости. В продольном фоторезисторе возбуждение осущест­вляется через контакт, который должен быть прозрач­ным для этого излучения.

Свет, поглощаясь в по­лупроводнике, возбуждает в нем свободные носители зарядов: электроны и дырки, которые вызывают изменение его проводимости. Изменения тока в це­пи фоторезистора определяется:

для поперечной фотопроводимости

для продольной фотопроводимости

где q – заряд электрона; a– квантовый выход; τ, μ– среднее время жизни и подвижность носителей тока в полупроводнике; d – расстояние между электродами фоторезистора; k'_п – коэффициент поглощения излуче­ния в полупроводнике; k_п – безразмерный

коэффициент, показывающий долю поглощенного в образце излучения.

Фотодиодные структуры

Фотодиод – быстродействующий фотоприемник, инерционность которого в отличие от фоторезистора практи­чески не зависит от уровня возбуждения.

Основные соотношения, определяющие характеристи­ки р-п перехода как приемника излучения, можно за­писать в виде

j_ф=aqk_пB, j=j_ф–j_об=j_ф–j₀(e^qφ/kT–1) (1).

где а – квантовый выход внутреннего фотоэффекта; j_ф, j_об – плотности фототока и обратного тока р-п перехода, обусловленные неосновными носителями тока в полу­проводнике;

j₀=Ae^–ΔE/kT

– плотность обратного тока насыщения; φ–разность по­тенциалов на р-п переходе; ΔE– ширина запрещенной зоны полупроводника.

Уравнение (1) отвечает семейству вольтамперных характеристик фотодиодов. В фотодиод­ном режиме на р-п переход подается обратное смеще­ние. При этом семейство вольтамперных характеристик фотодиода будет выглядеть как это показано на рис.

Фототранзисторные структуры

Для усиления тока фотодиода могут быть также исполь­зованы транзисторные структуры, простейшим из кото­рых является фототранзистор. Фототранзистор можно рассматривать как комбина­цию фотодиода в области базы с транзистором. В со­ответствии с этим характе­ристики фототранзистора (п-р-п или р-п-р типа) ана­логичны характеристикам соответствующих фотоди­одов.

Как и всякий транзистор, фототранзистор имеет два перехода: эмиттерный и коллекторный, смещенный в запорном направлении; свет, поглощаясь в об­ласти базы, генерирует в ней электронно-дырочные па­ры, которые разделяются эмиттерным и коллекторным переходами. При этом неосновные носители вытягивают­ся из области базы в эмиттерную и коллекторную обла­сти, что изменяет их потенциалы относительно базы.

Режим фототранзистора приводит­ся к режиму обычного транзистора, что позволяет за­писать

i_ф=i_ф0(B)/1–α

где i_ф – составляющая фототока коллекторной цепи фо­тотранзистора; а – его коэффициент передачи по току; i_ф0(В) –ток фотодиода, входящего в структуру фото­транзистора.