6.7. Фотопровідність

Освітлення напівпровідника у області фундаментального або домішкового поглинання супроводжується появою нерівноважних вільних носіїв заряду. Вказане явище називається внутрішнім фотоефектом, а виникнення при цьому додаткової (понад теплову) електропровідності – фотопровідністю.

Явище фотопровідності використовується для створення пристроїв реєстрації світлового випромінювання – фотоприймачів, модуляторів світлових потоків та перетворювачів світлової енергії в електричну (сонячних батарей). Принцип дії цих пристроїв ґрунтується на можливості зміни опору напівпровідника при зміні освітленості (з цієї причини їх називають також фоторезисторами).

Будову світлочутливого елемента фоторезистора схематично можна уявити як плівку, виготовлену з моно- або полікристалічного напівпровідника. За допомогою пари омічних контактів його підключають до джерела напруги U₀. Товщина світлочутливого елемента повинна бути достатньо великою, щоби у ньому поглиналася практично уся енергія світла, що попало у кристал. Ця умова легко виконується у випадку фоторезисторів, які працюють в області властивого поглинання і значно складніше для домішкових. Якщо вона виконується, то кількість носіїв (у випадку властивого поглинання – електрон-діркових пар), які генеруються за одиницю часу внаслідок освітлення поверхні фоторезистора при λ < λ_max, становить величину

. (6.19)

Тут W₀ – потужність світла, що падає на поверхню фоторезистора з коефіцієнтом відбивання r; λ_max – червона межа внутрішнього фотоефекту, а η – його квантовий вихід – середня кількість носіїв (електрон-діркових пар), утворених кожним поглиненим фотоном частоти ν. Якщо при поглинанні високоенергетичного фотона народжується декілька електрон-діркових пар, то η > 1; у випадку поглинання частини фотонів без появи вільних носіїв (наприклад внаслідок переходів між станами всередині однієї зони) – η < 1.

Припустимо, що при досить тривалому незмінному за інтенсивністю освітленні у кристалі об’єму Ω збуджено фотоелектрони з надлишковою (понад рівноважну n₀) стаціонарною концентрацією Δn = gτ/Ω. Після припинення освітлення вони рекомбінують, так що їх концентрація поступово зменшується за експоненціальним законом (4.39). Під впливом електричного поля, створеного джерелом з напругою U₀, нерівноважні носії прискорюються у напрямку дії сил поля, створюючи у колі струм (його називають фотострумом).

Вважаючи, що за час життя τ кожний носій проходить через об’єм фоторезистора τ/t_др раз, де t_др = L/v_др – час дрейфу носія через фоторезистор довжиною L, v_др = µE = μU₀/L – дрейфова швидкість, μ – рухливість, знаходимо силу фотоструму

, (6.20)

а з урахуванням (6.19) її можна подати у вигляді

. (6.21)

У разі властивої фотопровідності у (6.20, 21) замість µ слід підставляти суму µ_e + µ_h рухливостей носіїв обох типів.

Важливою характеристикою фоторезистора є його чутливість – відношення сили фотоструму до потужності освітлення:

, (6.22)

З (6.22) видно, що вона пропорційна довжині хвилі падаючого світла λ і прикладеній напрузі U₀, але обернено пропорційна квадратові довжині світлочутливого елемента фоторезистора. Ці величини є зовнішніми параметрами на відміну від внутрішніх – η, τ та µ, що визначаються типом напівпровідника, з якого виготовлено фоторезистор.

Чим більше час життя нерівноважних носіїв, тим вища чутливість фоторезистора, але при цьому зростає і його інерційність: зміна їх концентрації описується законом (4.39), записаним у формі

, (6.23)

де t₀ – момент вимкнення світла. За таким самим законом змінюється й фотопровідність

, (6.24)

Рис. 6.5. Характер зростання фотопровідності від початку освітлення до моменту досягнення стаціонарного значення (ділянка ОВ) та її спадання після вимкнення світла (ділянка ВС)

де σ – провідність освітленого, а σ_т – неосвітленого напівпровідника (темнова провід-ність), σ_ф0 – стаціонарна фотопровідність, що встановлюється за умови незмінної освітленості фоторезистора. З (6.24) видно, що чим більший час життя нерівноважних носіїв, тим повільніше буде спадання фотопровідності (ділянка ВС на рис. 6.5), а отже фотоприймач буде більш інерційним. Дотична, проведена до кривої спаду фотопровідності σ_ф(t) у точці t₀, відтинає на осі часу відрізок, рівний часові життя нерівноважних носіїв (рис. 6.5). Цей факт використовують для експериментального визначення τ.

На рис. 6.5 показано також характер встановлення стаціонарної фотопровід-ності після увімкнення освітлення (ділянка ОВ), що описується законом

. (6.25)

У цьому випадку дотична, проведена до кривої σ_ф(t) у початку координат, також відтинає на прямій АВ відрізок, рівний τ.