Измерение основных характеристик и параметров фоторезисторов

Москва 2022г.

Оглавление

Проводимость в полупроводниках 3

Фоторезистор 5

Проводимость в полупроводниках

Внутренним фотоэффектом называют процесс взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия квантов излучения передается электронам вещества, изменяющим в нем свое энергетическое состояние. Так как почти во всех случаях в качестве фоточувствительного материала приёмников оптического излучения (ПОИ) используют полупроводник, рассмотрим внутренний фотоэффект в нем с точки зрения зонной теории (3Т) и с позиций квантовой механики.

Согласно ЗТ, энергия электрона в полупроводнике может изменяться в некоторых интервалах почти непрерывно, но одновременно существуют интервалы значений энергии, которые электрон может преодолеть только скачком. Таким образом, вводится понятие о разрешенных и запрещенных зонах энергии в полупроводнике, наглядно представляемых энергетическими схемами, причем границы различных зон обозначают горизонтальными линиями (рисунок 1).

Рисунок 1 — Монокристаллический фоторезистор

Возможные значения энергии электронов, которые могут перемешаться в пределах кристалла, образуют разрешенную зону, которую называют свободной, или зоной проводимости (ЗП). Здесь Еп - минимальная энергия, которую может иметь электрон в зоне проводимости. Величина Е, является максимальной энергией электронов с полностью заполненной зоне с завершенными связями. Ниже Еv лежит спектр энергий всех связанных валентных электронов, и эту разрешенную зону называют валентной зоной.

Для того чтобы перевести электрон из связанного состояния в свободное, у чистого, т.е. собственного полупроводника падающие кванты должны сообщить ему энергию больше, чем ΔEз = Ев – Еп где ΔEз – ширина запрещенной зоны полупроводника, определяемая природой его химических связей и температурой. При температуре 295К для CdS ΔEз = 0.63эВ, для Si ΔEз =1.12, Ge ΔEз = 0.67, при 77К для InSb ΔEз =0.23 эВ, для HqCd ΔEз = 0.1 эВ.

Фоторезистор

Фоторезистор – это полупроводниковый прибор, который состоит из полупроводниковой пластины с контактами на противоположных её концах. Основой действия фоторезистора является его фотопроводимость – эффект изменения проводимости полупроводника при его освещении. Фоторезисторы для видимой области спектра обычно изготавливаются из соединения кадмия с теллуром, селеном, серой. Для ближнего инфракрасного (ИК) излучения применяется кремний с добавками золота или цинка. Для длинноволнового ИК излучения используются соединения свинца с серой и селеном, германия, сурьмянистого индия. Светочувствительный элемент в фоторезисторе может быть выполнен в виде пластины в корпусе с выводами или же может представлять тонкий слой полупроводника, нанесенного на подложку.

Рисунок 2 — Монокристаллический фоторезистор

К основным параметрам фоторезисторов относятся:

А) Вольтовая чувствительность ФР

[ ]

Б) Токовая чувствительность ФР

[ ]

[ ]

В) Омическая чувствительность

К основным характеристикам фоторезисторов относятся:

а) энергетическая характеристика;

б) вольт-амперная характеристика (ВАХ);

в) частотная характеристика;

г) спектральная характеристика.

Для большинства фоторезисторов зависимость тока фоторезистора 𝐼 от поступающего на него потока излучения Ф𝑛 можно представить в виде

𝐼 = 𝐼_𝑇 + 𝐼_Ф

где 𝐼_𝑇 - темновой ток фоторезистора.

Проводимость полупроводника, как известно, зависит от концентрации в нем электронов и дырок. Количество возбуждаемых носителей в единицу времени под действием излучения прямо пропорционально потоку излучения. В состоянии равновесия, без падающего света и приложенного к полупроводнику напряжения, число возникающих в полупроводнике дырок и электронов равно числу рекомбинаций электронно-дырочных пар. С ростом числа электронов и дырок возрастает вероятность их рекомбинации. В результате влияния рекомбинации электронно-дырочных пар на проводимость полупроводника ее рост происходит не прямо пропорционально потоку падающего света, а по закону √𝑥. Данное свойство приводит к нелинейности световой характеристики и является существенным недостатком фоторезистора. Энергетическая характеристика показана на рисунке 3.

Рисунок 3 — Энергетическая характеристика

Вольт-амперную характеристику фоторезистора можно представить формулой: 𝐼 = 𝑓(𝑈). Вольт-амперная характеристика (ВАХ) фоторезистора линейна при малых токах. Наклон ВАХ при отсутствии светового потока Ф зависит от темнового сопротивления 𝑅𝑇 или собственной проводимости полупроводника. ВАХ фоторезистора показана на рисунке 4.

Рисунок 4 — ВАХ фоторезистора

Световой характеристикой ФР, предназначенных для работы в видимой области спектра, называется зависимость его сопротивления от светового потока R(Ф) или освещенности R(E). Последняя ещё называется люкс-омической характеристикой. Если фоторезистор предназначен для работы вне видимого диапазона и/или параметры излучения представлены в энергетической системе единиц, то под световой характеристикой подразумевается зависимость сопротивления фоторезистора от потока излучения или энергетической освещённости. Световая характеристика, как правило, нелинейна. Характер её изменения зависит в сильной степени от примесей. 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, растет вероятность их рекомбинации. Люкс – омическая характеристика фоторезистора показана на рисунке 5.

Рисунок 5 — Люкс – омическая характеристика фоторезистора

Схема подключения фоторезистора показана на рисунке 6.

Рисунок 6 — Схема подключения фоторезистора

Если включить фоторезистор последовательно с источником напряжения и не освещать его, то в этой цепи будет протекать его темновой ток:

𝐼т = 𝐸/(𝑅т + 𝑅н),

где 𝐸 – ЭДС источника напряжения; 𝑅т – сопротивление фоторезистора без освещения; 𝑅н – сопротивление резистора в цепи.

При попадании на фоторезистор излучения энергия падающих фотонов идет на переход электронов в зону проводимости. При этом возрастает количество свободных электронно-дырочных пар, сопротивление фоторезистора уменьшается, и через него начинает течь световой ток:

𝐼с = 𝐸/(𝑅с + 𝑅н),

где 𝑅с – сопротивление фоторезистора при попадании на него света. Разность светового и темнового токов дает величину тока 𝐼ф, или же первичный ток проводимости:

𝐼ф = 𝐼с − 𝐼т

Если поток излучения мал, то 𝐼ф меняется прямо пропорционально величине потока излучения, попадающего на фоторезистор. При возрастании светового потока растет количество фотоэлектронов. При движении фотоэлектроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают вторичный фототок. Рост количества ионизированных атомов препятствует движению фотоэлектронов. В результате этого изменение фототока происходит позднее изменения светового потока и проявляется инерционность фоторезистора. Частотная характеристика фоторезистора показана на рисунке

Рисунок 6 — Частотная характеристика фоторезистора