3 − Экситонное поглощение; 4 − решеточное поглощение;

5 − Поглощение свободными носителями

Исследование спектра поглощения позволяет получить информацию об основных свойствах твердого тела: ширине запрещенной зоны, энергии ионизации примеси и т.д.

Известно, что свет может играть роль ионизирующего фактора, создающего избыточную концентрацию неравновесных носителей. Последнее приводит к образованию избыточной проводимости Δσ,так называемой фотопроводимости. Это явление называютфоторезистивным эффектом. Можно записать:

. (6.41)

Поскольку Δn=g_nτ_n, а Δp=g_pτ_p, то выражение (6.41) можно записать в виде:

, (6.42)

где µ_n,µ_p− подвижность электрона, дырки;

g_n,g_p− ионизирующие факторы;

τ_n, τ_p− время жизни носителей.

Ионизирующий фактор (скорость генерации) определяется потоком фотонов q, показателем поглощенияαи квантовым выходомβ:

, (6.43)

где I=hνq− интенсивность светового потока.

С учетом (6.43) выражение для фотопроводимости можно записать в виде:

. (6.44)

Анализ последнего выражения показывает, что величина фотопроводимости зависит от времени релаксации т.е. от типа рекомбинации (см. п. 6.1). Рекомбинация может быть объемной (в объемных кристаллах) или поверхностной (в тонких пленках). Это влияет на характер нарастания и спада фототока (рис. 6.4, а).

Рассмотрим уравнение непрерывности для случая отсутствия внешнего электрического поля, градиента концентрации носителей в n-полупроводнике и наличия генерирующего фактораg_nв виде потока светаI₀:

. (6.45)

При включении света t>0,I=I₀начинается генерация носителей. Поскольку параллельно генерации идет процесс рекомбинации, то в некоторый момент времениtустановится динамическое равновесие т.е.dn/dt=0. Избыточная концентрация носителей в этот момент:

,(6.46)

а электропроводность:

. (6.47)

j_ф

а)б)

Рис. 6.4. Изменение фотопроводимости (а) и фоторезистор (б): 1− подложка;

2 − Полупроводниковая пленка; 3 − контактные площадки; 4 − защитное покрытие

В момент t₂I=0,g=0 и уравнение (6.44) можно записать в виде:

. (6.48)

Решением уравнения (6.48) является уравнение релаксации:

, (6.49)

которое и описывает участок спада графика ∆σ(t):

. (6.50)

На рис. 6.4, апоказан также характер нарастания фотопроводимости после включения светового импульса, описываемого уравнением:

(6.51)

Зависимость фотопроводимости ряда полупроводников от освещенности используется в фоторезисторах, получивших широкое практическое применение, как в составе резисторных оптоэлектронных пар, так и в качестве отдельных приемников излучения. На рис. 6.4,б показана схема одного из типов фоторезисторов. Основным элементом фоторезистора является полупроводниковая пленка 2, нанесенная на изолирующую подложку 1 и защищенная прозрачной пленкой 4. Наиболее чувствительными являются фоторезисторы изготовленные из сернистого кадмия (СdS), фотопроводимость которого в 10⁵−10⁶раз превышает равновесную,темновую проводимость. Используются и другие полупроводниковые материалы.

Основным недостатком фоторезисторов является их инерционность, время релаксации изменяется от сотен до единиц миллисекунд.

Более быстродействующими фотоприемниками являются фотодиоды (τ =10…10^-2мкс), работа которых также основана на фотоэлектрических явлениях. Эти явления протекают вp-nпереходах, поэтому будут рассмотрены ниже (гл. 7).