1.3. Спектральная зависимость фотопроводимости

С пектральная зависимость фотопроводимости определяется спектром поглощения полупроводника. Область собственного поглощения имеет длинноволновую (красную) границу, соответствующую длине волны света λ_порог = hc/ΔW (рис. 2 и 3).

С ростом энергии фотонов λ < λ_порог фотопроводимость резко увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается (синяя граница фотопроводимости). В районе синей границы весь световой поток поглощается в приповерхностном слое полупроводника, при этом за счет поверхностной рекомбинации время жизни τ носителей заряда резко уменьшается.

Так как запрещенная зона различных полупроводниковых веществ имеет ширину от десятых долей электрон-вольта до двух трех электрон-вольт, фотопроводимость может обнаруживаться в инфракрасной, видимой (λ = 0.40÷0.76 мкм) или ультрафиолетовой частях спектра электромагнитных волн.

По длинноволновому краю фотопроводимости может быть определена ширина запрещенной зоны полупроводника. Из рис. 2 видно, что пороговая длина волны для германия λ_порог = 1.8 мкм и лежит в инфракрасной области спектра. Отсюда широна запрещенной зоны для германия ΔW = hc/λ_порог = 0.72 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния ΔW = 1.12 эВ и пороговая длина волны λ_порог =1.15 мкм также лежит в инфракрасной области спектра.

Области примесного поглощения находятся в длинноволновой (дальней инфракрасной) области спектра. Примесная фотопроводимость обычно значительно меньше собственной, т.к. концентрация атомов примеси на много порядков меньше концентрации атомов основной решетки.

1.4. Фоторезисторы

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на использовании внутреннего фотоэффекта, называются фоторезисторами.

К онструкция фоторезистора и включение его в электрическую цепь схематично показаны на рис. 4. Фоторезистор представляет собой тонкий слой поликристаллического полупроводникового материала, нанесенного на диэлектрическую подложку. В качестве фоточувствительного материала обычно используют сульфид кадмия CdS, селенид кадмия CdSe, сульфид свинца PbS или селенид свинца PbSe. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды.

Если фоторезистор включен во внешнюю цепь последовательно с источником напряжения U, то в отсутствие освещения через него течет темновой ток

I_т = σ_тU. (1.6)

При освещении его поверхности в цепи течет световой ток

I_с = σ_сU = σ_тU+σ_фU. (1.7)

Разность между световым током и темновым током называется фототоком

I_ф = I_с−I_т.= σ_фU. (1.8)

Вольтамперными характеристиками (ВАХ) фоторезистора называются зависимости темнового тока, светового тока и фототока от приложенного к фоторезистору напряжения при постоянной величине светового потока, падающего на фоторезистор (рис. 5).

ВАХ имеют слабую нелинейность при малых напряжениях, что связанно с потерей энергии при туннелировании электронов через небольшие потенциальные барьеры, между отдельными зернами или кристаллами полупроводника. При повышении U энергия электронов становится существенно больше энергии необходимой для туннелирования, и ВАХ становится линейной. При больших напряжениях температура фоторезистора повышается из-за мощности электрического тока (Джоулева тепла), выделяющейся в фоторезисторе P = UI и ВАХ снова становится нелинейной.