8.3. Применение явления внутреннего фотоэффекта

На явлении внутреннего фотоэффекта основано действие фотосопротивлений. Фоторезистором называется полупроводниковый прибор, действие которого основано на фотопроводимости – изменении проводимости полупроводника при освещении.

Для изготовления серийных фоторезисторов используются различные типы материалов: сернистый кадмий (CdS), сернистый свинец (PbS), селенид кадмия (CdSe) и селенид свинца (PbSe). Фоторезисторы чувствительные к инфракрасному излучению длинноволнового диапазона изготавливают на основе соединения кадмий-ртуть-теллур и антимонида индия (InSb).

Основной областью применения фоторезисторов является автоматика, где они в некоторых случаях с успехом заменяют вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Обладая повышенной допустимой мощностью рассеивания по сравнению с некоторыми типами фотоэлементов, фоторезисторы позволяют создавать простые и надежные фотореле без усилителей тока. Такие фотореле незаменимы в устройствах для телеуправления, контроля и регулирования, в автоматах для разбраковки, при сортировке и счете готовой продукции, для контроля качества и готовности самых различных деталей. Широко используются фоторезисторы в полиграфической промышленности при обнаружении обрывов бумажной ленты, контроле за количеством листов, подаваемых в печатную машину. В измерительной технике фоторезисторы применяются для измерения высоких температур, для регулировки температуры в различных технологических процессах. Контроль уровня жидкости и сыпучих тел, защита персонала от входа в опасные зоны, контроль над запыленностью и задымленностью самых различных объектов, автоматические выключатели уличного освещения и турникеты в метрополитене – вот далеко не полный перечень областей применения фоторезисторов. Фоторезисторы нашли применение в радиоэлектронике, в измерительных приборах, в системах телеконтроля, а так же в тепловизионнаой аппаратуре промышленного, медицинского и оборонного назначения.

Эксплуатация фоторезисторных устройств показывает их высокую надежность и широкие возможности. Они обладают высокой чувствительностью, достаточно малой инерционностью, простотой конструкции, имеют незначительные габариты, долговечны в работе, обеспечивают бесконтактные измерения и контроль. Во многих случаях фоторезисторный способ получения и обработки информации дает явное преимущество по сравнению с другими способами.

Методика эксперимента

С хематическое устройство фоторезистора дано на рис. 8.5. На изолирующую подложку 1 помещается тонкий слой полупроводника 2 (фоточувствительный слой). По краям этого слоя нанесены металлические электроды (контакты) 3. Для предохранения фоточувствительного слоя его покрывают тонкой пленкой лака, прозрачной в области спектральной чувствительности материала. Прибор заключен в закрытый корпус с окном для света. Электроды 3 соединены с клеммами, через которые прибор включается в электрическую цепь последовательно с источником питания.

Основными характеристиками фоторезистора являются: вольт-амперная, световая и спектральная.

Вольт-амперной характеристикой называется зависимость тока, протекающего через фоторезистор, от величины приложенного напряжения при постоянном световом потоке :

, (8.9)

где называется световым током; - темновой ток; - фототок.

В частности, если световой поток равен нулю, то характеристика называется темновой. Из уравнения (8.9) видно, что вольт-амперная характеристика как темновая, так и при освещении является линейной, поскольку при постоянной температуре и постоянном световом потоке электропроводность не зависит от напряжения. Следует отметить, что в области обычно реализуемых освещенностей световой ток намного больше темнового, т. е. .

Световой характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от величины падающего светового потока при постоянном значении приложенного напряжения . Эту зависимость можно заменить зависимостью от освещенности Е: , называемой часто люкс-амперной характеристикой.

С ветовая характеристика обычно нелинейная (рис. 8.6). При больших освещенностях увеличение фототока отстает от роста светового потока, намечается тенденция к насыщению. Это объясняется тем, что при увеличении светового потока наряду с ростом концентрации генерируемых носителей заряда (электронов и дырок) растет вероятность их рекомбинации.

Спектральной характеристикой называется зависимость фототока от длины волны при постоянной энергии падающего излучения .

Учитывая условие (8.4), можно сделать вывод, что фототок в собственном полупроводнике появляется лишь при частотах ν>ν_к или длинах волн λ<λ_к, где λ_к - край собственного поглощения, который определяется в зависимости от ширины запрещенной зоны на основании (8.4) из соотношения

. (8. 10)

Исходя из (8.10), казалось бы, что спектральная характеристика должна иметь вид ступени (рис. 8.7, кривая «а»), но такой вид она могла бы иметь лишь при абсолютном нуле. При повышении температуры тепловое движение «размывает» край собственного поглощения (рис. 8.7, кривая «б»). С увеличением энергии фотона в реальной спектральной характеристике фототок быстро достигает максимума, а затем начинает уменьшаться, хотя энергии фотона более чем достаточно для возникновения фотопроводимости. Это объясняется тем, что с уменьшением длины волны растет коэффициент оптического поглощения, и вместо объемной преобладающую роль начинает играть поверхностная рекомбинация. Время жизни неравновесных носителей в этом случае становится заметно меньше, диффузия их внутрь образца затрудняется и фототок ослабевает.

Н а основании условия (8.5), край примесного поглощения λ_п определяется из соотношения

. (8.11)

Т ак как энергия активации примеси ΔЕ_а всегда меньше ширина запрещенной зоны ΔЕ в собственном полупроводнике, то край примесного поглощения λ_п смещается в сторону больших длин волн относительно края собственного поглощения λ_к (рис. 8.8). Очевидно, что по спектральной характеристике, определив , можно оценить ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого сделан фоторезистор, а определив , – энергию активации примеси.

Значения ширины запрещённой зоны для полупроводников, широко используемых в электронике, приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1.

полупроводник	Ge германий	Si кремний	JnSb антимонид индия	GaAs арсенид галия	CdS сернистый кадмий	CdSe селенид кадмия	PbSе селенид свинца
ΔE , эВ	0,72	1,12	0,17	1,42	2,42	1,70	0,41