2 Фоторезистивный эффект
Фоторезистивный эффект (внутренний фотоэлектрический эффект) — это изменение удельного сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием электромагнитного излучения (квантов света) и не связанное с нагреванием полупроводника.
Сущность этого явления состоит в том, что при поглощении квантов света с энергией, достаточной для ионизации собственных атомов полупроводника или ионизации примесей, происходит увеличение концентрации носителей заряда. В результате увеличения концентрации носителей уменьшается удельное сопротивление полупроводника.
Для существования фоторезистивного эффекта необходимо, чтобы в полупроводнике происходило либо собственное поглощение квантов света с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение с образованием носителей одного знака.
В области собственного поглощения избыточные концентрации электронов и дырок, равные между собой, должны быть пропорциональны показателю поглощения, интенсивности света и времени жизни:
(4.3)
где
-
внутренний квантовый выход;
α- показатель поглощения;
I-интенсивность света,
-
время жизни.
Коэффициент пропорциональности β называют внутренним квантовым выходом, так как он определяет число пар носителей заряда (или число носителей заряда при примесном поглощении), образуемых одним поглощенным квантом света, если интенсивность света I измерять числом квантов в секунду.
Внутренний квантовый выход будет меньше единицы, если существуют условия для поглощения носителями заряда. В этом случае энергия некоторых квантов будет расходоваться на повышение энергии носителей заряда, а не на образование новых носителей заряда.
При освещении полупроводника наряду с генерацией новых носителей заряда происходит и обратный процесс — рекомбинация. При непрерывном освещении между этими двумя противоположными процессами генерации и рекомбинации устанавливается некоторое динамическое равновесие.
Внешнее проявление фоторезистивного эффекта может быть продемонстрировано по средством анализа ряда закономерностей наблюдаемых у полупроводниковых материалов включенных в электрическую цепь.
ВАХ
Вольт-амперные характеристики представляют собой зависимости светового тока IСВ при неизменной величине светового потока, а также темнового тока Iтем от приложенного к полупроводнику напряжения (рис.4.4).
При малых напряжениях сопротивление полупроводника определяется в основном сопротивлением контактов. Напряжение, приложенное к полупроводнику, падает в основном на контактах между зернами полупроводника.
Поэтому напряженность электрического поля на контактах получается большой даже при малых напряжениях на полупроводнике. В связи с этим при увеличении приложенного напряжения сопротивление контактов уменьшается либо из-за эффектов сильного поля (например, туннелирование сквозь тонкие потенциальные барьеры на контактах), либо из-за разогрева приконтактных областей отдельных зерен полупроводника.
|
|
Рис.4.4. Вольт-амперная характеристика полупроводника: 1 — в темноте; 2 — при освещении |
Рис. 4.5. Световая характеристика полупроводника |
При дальнейшем увеличении напряжения сопротивление полупроводника будет определяться уже объемным сопротивлением зерен полупроводника и поэтому будет оставаться постоянным, что соответствует линейному участку вольт-амперной характеристики.
При больших напряжениях на полупроводнике вольт-амперная характеристика опять может отклоняться от линейной, становясь или сверхлинейной или сублинейной.
Сверхлинейность связана с повышением температуры полупроводникового материала из-за большой выделяющейся мощности.
Сублинейность может наблюдаться у полупроводников, изготовленных из монокристаллического полупроводника и имеющих малое расстояние между электродами по сравнению с дрейфовым сдвигом носителей заряда. При этом носители, возникшие в фоточувствительном слое, за время жизни успевают перейти в металлический электрод и перестают участвовать, таким образом, в фоторезистивном эффекте.
Световая характеристика.
Световая или люкс-амперная характеристика полупроводника представляет собой зависимость фототока Iф = Icв – Iтем от освещенности, или от падающего на полупроводник светового потока.
Полупроводники имеют обычно сублинейную световую характеристику (рис.4.5).
Сублинейность световой характеристики объясняется смещением уровней Ферми, для электронов и для дырок с увеличением отклонения от равновесного состояния при увеличении освещенности: уровень Ферми для электронов смещается к зоне проводимости в результате увеличения концентрации свободных электронов, уровень Ферми для дырок одновременно смещается к валентной зоне из-за увеличения концентрации дырок.
Вследствие чего увеличивается концентрация рекомбинационных ловушек, а значит уменьшается время жизни носителей заряда, что и является первой причиной сублинейности световой характеристики.
Закономерности возрастания фототока от освещенности различны у различных полупроводников и определяются концентрацией тех или иных примесей в полупроводнике и распределением примесных уровней по запрещенной зоне энергетической диаграммы полупроводника.
Второй причиной, приводящей к сублинейности световой характеристики полупроводника, является уменьшение подвижности носителей заряда при увеличении освещенности из-за увеличения концентрации ионизированных атомов в полупроводнике и, следовательно, из-за увеличения рассеяния носителей заряда ионизированными атомами.
В узком диапазоне освещенностей для аппроксимации световой характеристики часто используют зависимость
(4.4)
де A и x — коэффициенты, являющиеся постоянными для данного полупроводника в выбранном диапазоне освещенностей; Е — освещенность.