світловий потік (густина потоку випромінювання); hν – енергія одного фотона.

Очевидно, що число фотонів, які поглинаються на глибині x в одиниці об’єму за одиницю часу, буде:

В області власного поглинання η1 = 1, а швидкість генерації зменшується зі збільшенням частоти. Фотострум і чутливість SI , які

пропорційні G, мають таку ж залежність, із збільшенням частоти вони зменшуються.

У фотоприймачах (фотодіоди з p–n-переходом та діоди з поверхневим бар’єром, тобто діоди Шотткі) фотострум визначається лише швидкістю генерації носіїв G(x). У фотоприймачах (лавинному фотодіоді, фоторезисторі, фототранзисторі) фотострум визначається добутком G(x)Z(E), де Z(E) – коефіцієнт підсилення, який залежить від напруженості поля Е. Причини виникнення цього множника різні і будуть розглянуті в кожному випадку окремо.

Фотоприймачі характеризуються також часом наростання та спаду фотоструму τ1 та τ2 . Вони мають, як правило, різні значення, але порядок їх величин однаковий. Порогова чутливість фотоприймача характеризується рівнем світлового потоку Φn , при якому ко-

рисний сигнал дорівнює величині шуму. Шуми в фотоприймачах пов’я- зані з тепловим рухом електронів та флуктуацією концентрації їх при цьому (тепловому шумі), а також коливаннями числа електронів при незмінному освітленні та постійному зовнішньому полі (дробовому шумі).

4.3. Фоторезистори

При освітленні однорідного напівпровідника його електропровідність збільшується, це явище називається фотопровідністю. Концентрація фотоелектронів визначається швидкістю генерації G та часом τ їх існування в зоні провідності.

Для фоторезистора вводять поняття квантового виходу η2 ,

який дорівнює числу електронів, що пройшли через фоторезистор за одиницю часу в розрахунку на кожний фотон, який вийшов на поверхню фотоприймача за одиницю часу:

44

Для фоторезистора коефіцієнт підсилення Z(E) показує, у скільки разів за час існування τ електрон може пройти через фоторе-

зистор. При достатніх величинах Е число Z 105 .

Інерційність фоторезисторів визначається не стільки часом існування електронів у зоні провідності, скільки дією локальних пасток, які створюються домішками або дефектами кристалічної ґратки. Якщо електрон зони провідності захоплюється пасткою, то час його існування на рівні пастки залежить від її температури та глибини залягання у забороненій зоні. Тільки після теплового звільнення електрона з рівня пастки він може рекомбінувати з діркою. Процес захоплення носіїв пастками (“прилипання” електронів та дірок до пасток) затягує зростання фотоструму після вмикання світла та його спад після вимкнення. Тому фоторезистори мають достатньо велику інер-

ційність (τ 10−2...10−7 c). Фоторезистор може мати як чутливий еле-

мент монокристал напівпровідника, плівку напівпровідника на діелектрику або таблетку пресованого порошкового матеріалу. Тому і характеристики їх є достатньо різними.

4.4. Фотодіоди з p–n-переходами

Такі фотодіоди мають світлочутливі елементи в приконтактній області. При освітленні p–n-переходу світлом із енергією більше ніж ширина забороненої зони E, по обидва боки від контакту та на

самому переході виникають пари “електрон – дірка”. Пари, які виникли на самому переході, зразу розділяються електричним полем, причому електрони рухаються в область з електронною провідністю (n-об- ласть), а дірки – в р-область. Пари, які утворились на відстані порядка дифузійної довжини, також, попадаючи в перехід, розділяються таким самим чином.

Якщо на р–n-перехід не подано зовнішню напругу і коло розімкнуте, то освітлення призводить до накопичення фотоелектронів у n- та дірок в р-області. У результаті утворюється різниця потенціалівUΦ , тобто з’являється фотоЕРС. Якщо зовнішнє коло замкнуте, то виникає фотострум. У таких умовах діод працює як фотоелемент.

Напруга UΦ зміщує перехід у прямому напрямку, тобто зменшує висоту потенціального бар’єра для електронів та дірок. Як-

45

що фотоелемент увімкнено в зовнішнє коло з малим опором, то фотоелектрони не збираються в n-області і UΦ = 0, при цьому зовнішня

напруга також відсутня, I = −IФ , тобто в цьому випадку струм (який називають струмом короткого замикання) IФ Ф.

Якщо р–n-перехід ввімкнений у запірному напрямку (на р-об- ласті “мінус”), то практично весь склад напруги припадає на збіднену носіями область р–n-переходу. Тепер розподіл електронів та дірок, які виникли при освітленні, проводиться більш сильним полем,

а ширина області великого опору збільшується (d U ). Час про-

ходження електронів цієї зони складає 10−10 c. Але інерційність фотодіодів визначається парами “електрон – дірка”, які виникли протягом дифузійної довжини від р–n-переходу, що також розділяються

полем р–n-переходу, але час їх проходження 10−7 c.

Для зменшення цієї складової фотоструму р–n-перехід розміщують майже на самій поверхні, яка освітлюється (зменшуючи, наприклад, товщину шару р-типу). Щоб повністю виключити поглинання світла на одній із дифузійних довжин, збільшуютьширинур–n-пе-

реходу до 2x , з x = k −1 (α – коефіцієнт поглинання). Досягають цього в спеціальних р–n-переходах, в яких між шарами р- та n-пе-

никають в і-шарі й інерційність діода визначається часом проходження електронами і-шару

(τ 10−9 c).

Вольт-амперні характеристики (ВАХ) фотодіодів наведені на рис. 4.3.

46

4.5. Фотодіоди з бар’єрами Шотткі

Якщо електронний напівпровідник контактує з металом (рис. 4.4), у якого робота виходу більша роботи виходу електрона із напівпровідника, то на контакті утворюється так званий бар’єр Шотткі. Фотоприймачі, якіпрацюютьнабар’єрах Шотткі, маютьшвидкодію (τ ~ 10–10 c).

При вмиканні діода в запірному напрямку (“мінус” на металі) ширина бар’єра збільшується згідно співвідношення:

Якщо Nd ~ 1023 м−3 , топринапрузівдекількавольтd ~ 10−5 см.

Тонкий шар металу (~ 10−6 см) наноситься на напівпровідник методом вакуумного напилювання. Світло направляють на контакт через цю металеву плівку, а для того, щоб зменшити відбивання, використовують методи просвічування оптики (тобто, наносять тонкий шар прозорої речовини, так, щоб у результаті відбивання світла від верхньої та нижньої поверхонь при інтерференції утворювався мінімум).