1.4. 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 затемненном полупроводнике имеется незначительное количество равновесных свободных носителей заряда (электронов и дырок), концентрация которых (n₀, p₀) определяется температурой кристалла.

При этом согласно (1.3) полупроводник обладает начальной проводимостью _т, которая носит название темновой и имеет две составляющие:

_т = _тn +_тp = en₀_n + p₀_p, (1.12)

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

Под действием поглощенных квантов света проводимость полупроводника увеличивается за счет дополнительных 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 n и дырок p, и поэтому полная (общая) проводимость _общ материала, также имеющая электронную и дырочную составляющие, возрастает,:

_общ = e(n₀ + n)_n + (p₀ + p)_p). (1.13)

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

_ф = = _общ _т = е(n_n + p_p), (1.14)

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

Темновое значение проводимости _т обычно крайне мало по сравнению с значение фотопроводимости _ф и значением _т можно пренебречь, так что _ф  _общ. (1.15)

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

I_ф = I_общ  I_т . (1.16)

Условное обозначение фоторезистора и ряд его характеристик приведены на рис. 1.6.

Можно выделить следующие основные параметры и характеристики фоторезисторов:

1) вольтамперная характеристика (рис. 1.6, а)  зависимость тока I через фоторезистор от напряжения U при различных значениях светового потока Ф, лм;

а) б) в) г)

Рис. 1.6. Характеристики и УГО фоторезистора

2) энергетическая характеристика  зависимость фототока I_ф резистора от светового потока Ф, лм, при фиксированном напряжении U на резисторе (рис. 1.6, 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; (1.17)

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). (1.18)

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 да 600 мА/(Влм). В том случае, когда оценивается действие монохроматического излучения, используется монохроматическая величина чувствительности S_;

5) спектральная характеристика фоторезистора представляет собой зависимость фототока I_ф() от длин волн света, падающего на резистор (рис. 1.6, 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 переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому для каждого полупроводника и, соответственно, для каждого фоторезистора существует пороговая длина волны _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 _кр характеризует так называемую красную границу внутреннего фотоэффекта. По мере уменьшения длины волны при < _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() 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() различных фоторезисторов (рис. 1.6, г) может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра;

6) постоянная времени  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  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.