Глава 3.3.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

1. Фоторезисторы и фотогальванические элементы

В полупроводниковых фотоэлектронных приборах, использую­щих внутренний фотоэффект (фотогальванический или фоторе- зистивный), энергия фотона, поглощаемого валентным электро­ном, должна быть не меньше энергии, соответствующей запре­щенной зоне AW₃. Получив дополнительно эту энергию, валент­

но

ный электрон переходит в зону проводимости. В полупроводнике при этом происходит разрушение ковалентных связей, сопровож­даемое генерацией пар электрон — дырка, за счет чего уменьша­ется его сопротивление. Если энергия фотона больше энергии ДИ?₃, то избыток энергии, полученной электроном, превращается в его кинетическую энергию.

В примесных полупроводниках наряду с этим за счет энергии фотонов может происходить ионизация атомов примеси, сопро­вождающаяся переходом валентных электронов на энергетичес­кие уровни атомов акцепторов в области p-типа и переходом электронов с уровней атомов доноров в зону проводимости в об­ласти п-типа. При этом увеличивается количество основных носи­телей заряда.

К полупроводниковым фотоэлектронным приборам относят фоторезисторы, фотогальванические элементы, фотодиоды, фото­транзисторы и фототиристоры.

Фоторезистором называют фотоэлектронный прибор, действие которого основано на уменьшении удельного электрического сопротивления полупроводника под действием света или невиди­мого излучения — инфракрасного, ультрафиолетового. Основной частью фоторезистора является полупроводниковая пластина или фоточувствительный проводящий полупроводниковый слой на стеклянной подложке. Материалом для фоторезистора может служить сернистый кадмий, сернистый свинец, селенистый кад­мий, селенистый теллур и другие.

Фоторезистор включают в цепь последовательно с источником питания. Он обладает омическим сопротивлением: ток через него пропорционален приложенному напряжению при постоянном све­товом потоке или без него. Проводимость фоторезистора одина­кова в обоих направлениях. При отсутствии светового потока в цепи фаторезистора протекает небольшой темновый ток /_т. Темновое сопротивление фоторезистора R_T велико; его можно определить как отношение приложенного напряжения U к темно- вому току:

При освещении фоторезистора его сопротивление резко уменьшается: световое сопротивление R_c меньше R_T в сотни и тысячи раз. Поэтому в цепи протекает большой световой ток /_с. Фототок равен разности между световым и темновым токами: /ф —— /_с If.

Основной параметр фоторезистора — чувствительность S:

Инерционность фоторезисторов служит причиной того, что они не могут быть использованы в кинематографии для воспроиз­ведения звука с фотографических фонограмм. Их применяют в измерительной аппаратуре, в схемах автоматики, в качестве фотореле для считывания информации с перфолент и т. п. Фоторезисторы в микроэлектронном исполнении применяются в оптоэлектронике.

Фотогальваническим элементом называют полупроводниковый фотоэлектронный прибор, непосредственно преобразующий свето­вую энергию в электрическую. Его действие основано на фото- гальваническом эффекте.

Фотогальванический элемент не требует источника питания. При изготовлении такого элемента используют кремний, селен, германий и другие полупроводники, на базе которых создается р-п переход. При облучении р-п перехода или прилегающих к нему областей, обычно области л-типа, за счет Световой энергии генерируются пары электрон — дырка. Они диффундируют к р-п переходу и на границе разделяются под действием контактной разности потенциалов: дырки втягиваются в область p-типа, а электроны накапливаются в области л-типа. Значительное увели­чение концентрации носителей заряда по обе стороны р-п перехо­да приводит при разомкнутой цепи к возникновению разности потенциалов между обеими областями, называемой фото-э.д.с.

Из-за большой собственной емкости фотогальванического элемента, имеющего большую рабочую поверхность, его гранич­ная частота не превышает 500—1000 Гц.

Нелинейность световой характеристики, большая инерцион­ность и большой собственный шум являются недостатками фотогальванических элементов, ограничивающими их применение для преобразования световых сигналов в электрические. По этой причине они не могут быть использованы в кинематографии для воспроизведения звука с фотографических фонограмм кинофиль­мов.

Фотогальванические элементы используют в качестве источ­ников электрической энергии в виде солнечных батарей, а также в фотометрии, в автоматике, в приборах для измерения освещенности — люксметрах, в частности, для измерения осве­щенности киноэкранов, в экспонометрах для определения экспо­зиции при фотосъемках и киносъемках.