7.2 Полупроводники. Проводимость собственная и примесная. Донорные и акцепторные примеси. Фотоэффект в полупроводниках. Схема фотодиодного сенсора матрицы

Полупроводники присутствуют в любых фоточувствительных матрицах. По свойствам электропроводимости все твёрдые тела делятся на три класса: металлы, полупроводники и диэлектрики. К металлам относятся твёрдые тела с металлическим типом химической связи, у которых есть свободные коллективизированные электроны, которые и обусловливают их проводимость. К неметаллическим твёрдым телам относятся вещества с ионной и ковалентной связью (полупроводники и диэлектрики). Диэлектрики не имеют ни свободных электронов, ни других носителей заряда и ток не проводят. В полупроводниках при нулевой температуре (нуль - абсолютный, естественно) электроны жестко закреплены на ковалентных связях. Для освобождения электрона, участвующего в проводимости, ему надо сообщить дополнительную энергию, например, тепловую или световую. В проводимости полупроводников участвуют также дырки, которые имеют положительный заряд, равный по модулю электронному. Дырочная проводимость связана с перемещением электронов на освободившееся при выбивании электрона место. Такое движение удобно описывать как движение положительного заряженной частицы в направлении, обратном электронным перескокам. Проводимость полупроводников, однородных по своему химическому составу, называют собственной. Примесная проводимость возникает при существовании в кристалле примесных атомов, валентность которых отличается от валентности основных атомов. Донорные примеси имеют большую валентность, чем основные атомы, и легко образуют дырки. Соответственно типы проводимости называются n-проводимостью (электронной) - при донорных примесях, и p-проводимостью (дырочной) - при акцепторных примесях. В полупроводниковом диоде, к коим относится рассматриваемый нами фотодиод, p-n-переход образуется, когда в полупроводнике соседствуют области, одна из которых содержит акцепторные примеси (p-область), а другая - донорные (n-область). Это достигается путем внедрения примесей в кристаллическую решётку разных областей кристалла примесей разных типов. Благодаря диффузии электронов из n-области в p-область, а дырок из p-области в n-область, а дырок из p-области в n-область, на границе возникает потенциальный барьер электростатической природы, препятствующий дальнейшей диффузии носителей зарядов. В случае приложения прямого напряжения в сторону n-области к p-области напряжение компенсирует влияние потенциального барьера, и проводимость возрастает. При приложении обратного напряжения от p-области в n-область потенциального барьера только увеличивается, и ток, текущий через p-n-переход, обусловлен неосновными носителями (электронами в p-области и дырками в n-области) и поэтому мал, если переход не освещён или не нагрет. То есть p-n-переход пропускает ток лишь в одном направлении. В случае фотодиода, под действием электромагнитного излучения, каковым является в частности световое излучение, в цепи фотодиода меняется ток в зависимости от интенсивности излучения. Схема фотодиодного сенсора матрицы - http://vkontakte.ru/photo8391492_211833879 Возникшие под действием излучения неосновные носители заряда диффундируют через p-n-переход и ослабляют электрическое поле потенциального барьера. Фототок в фотодиодах в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения, что даёт возможность использовать фотодиоды для записи изображения.