11

Лабораторная работа № 2

Изучение принципа действия фоторезисторов и определение ширины запрещенной зоны полупроводника по его фотопроводимости

Цель работы – изучение принципа действия фоторезисторов и методов определения ширины запрещенной зоны полупроводников.

Приборы и материалы: источник питания, осветитель с лампой накаливания (ЛН), монохроматор МУМ, фоторезистор, вольтметр РВ7-22А.

Теоретическая часть

1 Фоторезисторы

Фоторезистор — это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте.

При облучении фоторезистора фотонами в полупроводниковом фо­точувствительном слое возникает из­быточная концентрация носителей заряда. Если к фоторезистору приложено напряжение, то через него будет про­ходить дополнительная составляющая тока — фототок, обуслов­ленный избыточной концентрацией носителей заряда, называемых неосновными.

Отношение числа прошедших во внешней цепи электронов к числу возникших в фоточувствительном слое электронов называют коэффициентом усиления фоторезистора

, (1)

где τ_п – время жизни электронов;

μ_п – подвижность электронов;

Е – напряженность электрического поля;

l – расстояние между электродами.

2 Конструкция фоторезисторов

Основной частью конструкции фоторезистора является .полупро­водниковый фоточувствительный слой, который может быть выполнен в виде монокристаллической или поликристаллической пластинки полупроводника или в виде поликристаллической пленки полупроводника, нанесенной на диэлектрическую подлож­ку. В качестве полупроводникового материала для фоторезисторов обычно используют сульфид кадмия, селенид кадмия или сульфид свинца. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды. Иногда электроды наносят непосредственно на диэлектрическую подложку перед осаждением полупроводникового слоя.

Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя, расположенную между электродами, называют рабочей площадкой. Фоторезисторы делают с рабочими площадками прямоуголь­ной формы, в виде меандра или в виде кольца. Площадь рабочих площадок различных фоторезисторов составляет обычно от деся­тых долей до десятков квадратных миллиметров. Исходя из площади рабочей площадки, можно правильно выбрать размер светового пучка, оценить световой поток, при котором должен работать фоторезистор, и т. д. При эксплуатации фоторезистора рекомендуется его рабочую площадку засвечивать полностью, так как при этом эффект изменения сопротивления фоторезисто­ра максимален.

Подложку с нанесенным на нее полупроводниковым фоточув­ствительным слоем или пластинку полупроводника помещают в пластмассовый или металлический корпус.

3 Основные характеристики и параметры фоторезисторов

Вольтамперные характеристики (ВАХ) фоторезистора представляют собой зависимости светового тока I_св при неизменном световом потоке, а также темнового тока I_тем от приложенного к фоторезис­тору напряжения (рисунок 1).

1 – без облучения (в темноте); 2 – при облучении

Рисунок 1 - ВАХ фоторезистора

В рабочем диапазоне напряжения ВАХ фоторезисторов при различных значениях светового потока практически линейны. Однако у большинства пленочных фоторезисторов и у фоторезисторов с фоточувствительным слоем из поликристаллического полупроводникового материала линейность ВАХ нарушается при малых напряжениях. Эта нелинейность связана с явлениями на контактах между отдельными зернами или кристаллами полупроводника.

При больших напряжениях на фоторезисторе ВАХ опять может отклоняться от линейной, становясь сверхлинейной. Сверхлинейность связана с повышением температуры всего фото­чувствительного слоя из-за большой выделяющейся мощ­ности.

Световая, или люкс-амперная, характеристика фоторезистора представляет собой зависимость фототока I_ф==I_св—I_тем от ос­вещенности, или от падающего на фоторезистор светового по­тока.

Фоторезисторы имеют обычно сублинейную световую характеристику (рисунок 2).

Рисунок 2 – Световая характеристика фоторезистора

В узком диапазоне освещенностей для описания свето­вой характеристики часто используют зависимость

I_ф = АЕ^х, (2)

где А и х — коэффициенты, являющиеся постоянными для данного фоторезистора в выбранном диапазоне освещенностей;

Е — освещенность.

Спектральная характеристика фоторезистора — это зависисимость фототока от длины волны падающего на фоторезистор света (рисунок 3).

1 — ФСК, 2 — ФСД, 3 — ФСА, 4 — СФ4

Рисунок 3 - Усредненные спектральные характеристики различных фоторезисторов

При больших длинах волн, т. е. при малых энергиях квантов света по сравнению с шириной запрещенной зоны полупроводника, энергия кванта оказывается недостаточной для переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому для каждого полупроводника и соответственно для каждого фоторезистора существует пороговая длина волны (наибольшая), которую обычно определяют как длину волны, соответствующую спаду фототока на 50% со стороны больших длин волн.

При малых длинах волн с уменьшением длины волны падающего на фоторезистор света растет показатель поглощения. Поэтому глубина проникновения квантов света в полупроводник уменьшается, т. е. основная часть неравновесных носителей заряда возникает вблизи освещаемой поверхности фоточувствительного слоя. При этом увеличивается роль поверхностной рекомбинации и уменьшается среднее время жизни неравновесных носителей. Таким образом, спектральная характеристика имеет спад и при малых длинах волн.

Различные полупроводники имеют ширину запрещенной зоны от десятых долей до 3 эВ. Поэтому максимум спектральной характеристики различных фоторезисторов может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра.

Постоянная времени — это время, в течение которого фототок фоторезистора изменяется после освещения или после затемнения фоторезистора на 63% (в е раз) по отношению к установившемуся значению. Таким образом, постоянные времени характе­ризуют скорость реакции фоторезистора на изменение светового потока, т. е. характеризуют инерционность фоторезистора.

В связи с тем, что скорость нарастания фототока при освеще­нии несколько отличается от скорости его спада после затемне­ния фоторезистора, различают постоянные времени нарастания τ_н и спада τ_сп. Числовые значения постоянных времени различных фоторезисторов от десятков микросекунд до десятков миллисе­кунд.

Наличие существенной инерционности у фоторезисторов при­водит к тому, что с увеличением частоты модуляции светового потока эффективное значение возникающего переменного фото­тока уменьшается. Максимальная частота модуляции светового потока для фоторезисторов не превосходит десятков килогерц.

Темновое сопротивление — это сопротивление фоторезистора в отсутствие освещения.

Удельная интегральная чувствительность — это отношение фототока к световому потоку и к приложенному напряжению

К₀ = I_ф/(ФU). (3)

Чувствительность называют интегральной, потому что измеря­ют ее при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава. Удельные интегральные чувствительности различных фоторезисторов составляют от 1 до 600 мА/ (В·лм).