Внутренний фотоэффект

П ри прохождении через вещество интенсивность света уменьшается. Часть энергии излучения поглощается и идет на увеличение энергии электронов или теплового движения атомов. На рис. 5.5 показаны возможные переходы электронов в кристаллах под действием света (Е_с - энергия, соответствующая нижнему краю зоны проводимости, Е_v - верхнему краю валентной зоны).

Переход 1 приводит к появлению электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Он возможен при энергии фотонов hf ≥ Е_с - Е_v, т.е. большей ширины запрещенной зоны E_g. При меньшей энергии фотонов могут происходить переходы электронов с локальных уровней примесей или дефектов решетки кристаллов в зону проводимости (переход 2) или из валентной зоны на эти уровни (переход 3). При этом в разрешенных энергетических зонах появляется только по одному носителю заряда. Переходы 1, 2 и 3 изменяют электропроводность твердых тел. На этом явлении внутреннего фотоэффекта основана работа большинства фотоприемников.

При внутрицентровых переходах 4 электрон не освобождается и процесс поглощения света не приводит к изменению электропроводности кристалла. То же относится и к экситонному поглощению (переход 5) и поглощению свободными носителями заряда (переход 6).

Степень изменения электрических характеристик фотоприемника при освещении зависит от скорости генерации фотоносителей G, т. е. от числа носителей (электронно-дырочных пар), возникающих за единичное время в единичном объеме вещества. Для фотоприемника с р-п-переходом важны скорость генерации G и общее число возникающих пар как в области самого перехода, в которой присутствует сильное электрическое поле, увлекающее носители, так и в тонких слоях, прилегающих к переходу. Возникшие в этих слоях фотоэлектроны и дырки после диффузии к переходу также подхватываются электрическим полем и создают дополнительный ток в цепи. Таково происхождение фототока в фотодиодах с р-п-переходами, которые являются сейчас наиболее используемыми фотоприемниками. То же происходит в запирающих слоях, образующихся на контакте металла и полупроводника. Максимальная напряженность неоднородного поля в переходах обычно равна 10⁵ В/см. На ток в некоторых типах фотодиодов, в которых создается электрическое поле напряженностью Е > 5∙10⁵ В/см, влияют как скорость генерации носителей светом, так и Е (лавинные фотодиоды).

Другой тип фотоприемников представляет собой однородный полупроводник (без запирающих слоев), в котором внешний источник напряжения создает слабое однородное поле (Е = 10² В/см) В этом случае фототок зависит от G, Е и протяженности образцов вдоль поля.

Чувствительность фотоприемника определяется тем, насколько сильно изменяются его электрические характеристики при облучении светом. Если освещение приводит к росту тока в цепи на I_ф, то так называемая токовая чувствительность

,

где Ф - поток излучения, падающий на прибор. Если при освещении приемника напряжение на выходе увеличивается на U_Ф, то вольтовая чувствительность

.

Поток Ф может быть выражен как в энергетических единицах (ваттах), так и световых (люменах). В общем случае зависимости I_ф(Ф) и U_Ф(Ф) являются нелинейными, т. е. чувствительность зависит от Ф.

Другой важной характеристикой приемника является квантовый выход внутреннего фотоэффекта η, определяемый числом неравновесных носителей (пар), которые созданы каждым поглощенным фотоном. Чувствительность фотоприемника зависит от скорости генерации G, зависящей в свою очередь от η.

Фотоприемники характеризуются следующими основными параметрами: пороговой чувствительностью, приведенным пороговым потоком, обнаружительной способностью. Пороговая чувствительность фотоприемника определяется уровнем светового потока Ф_п, при котором сигнал равен шуму, т. е.

.

Так как и Ф_п могут зависеть от площади S приемника и полосы частот ΔF, при оценке способности фотоприемника регистрировать слабые световые потоки используется приведенный пороговый поток

.

Обнаружительная способность D* определяется как

.

Значения D* относят обычно к длине волны λ_тах, соответствующей максимуму спектральной чувствительности приемника, к определенной частоте модуляции светового потока F и полосе частот ΔF, равной 1 Гц.

Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) реализуется в различных полупроводниковых приемниках оптического излучения.

К полупроводниковым приемникам относятся фоторезисторы, фотоэлементы с запорным слоем, фотодиоды, биполярные фототранзисторы и фототиристоры, матрицы фотоприемников. Остановимся подробнее на отдельных видах фотоприемников.