У сучасній електронній техніці широко використовуються напівпровідникові прилади, засновані на принципах фотоелектричного і електрооптичних перетворення сигналів. Перший з цих принципів обумовлений зміною електрофізичних властивостей речовини в результаті поглинання в ньому світлової енергії (квантів світла). При цьому змінюється провідність речовини або виникає е. д. з. що призводить до змін струму в ланцюзі, в яку включений фоточутливий елемент. Другий принцип пов'язаний з генерацією випромінювання в речовині, обумовленої доданим до нього напругою і що протікає через світловипромінювальних елемент струмом. Зазначені принципи складають наукову основу оптоелектроніки - нового науково-технічного напрямку, в якому для передачі, обробки та зберігання інформації використовуються як електричні, так і оптичні засоби і методи.
Все різноманіття оптичних та фотоелектричних явищ в напівпровідниках можна звести до наступних основних:
- поглинання світла і фотопровідність;
- фотоефект в p-n переході;
- стимульоване когерентне випромінювання.
Фотопроводимость. Фоторезістівний ефект
Явищем фотопровідності називається збільшення електропровідності напівпровідника під впливом електромагнітного випромінювання.
При висвітленні напівпровідника в ньому відбувається генерація електронно-доручених пар за рахунок перекидання електронів з валентної зони в зону провідності. Внаслідок цього провідність напівпровідника зростає на величину
де e - заряд електрона; # 109; n - рухливість електронів; # 109; p - рухливість дірок; # 68; ni - концентрація генеруються електронів; # 68; pi - концентрація генеруються дірок.
Оскільки основним наслідком поглинання енергії світла в напівпровіднику є переведення електронів з валентної зони в зону провідності, тобто междузонний перехід, то енергія кванта світла фотона повинна задовольняти умові
де h - постійна Планка; # 68; W - ширина забороненої зони напівпровідника; # 110; кр - критична частота електромагнітного випромінювання (червона межа фотопровідності).
Випромінювання з частотою # 110; <nкр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения hn <DW недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же hn> # 68; W, то надлишкова щодо ширини забороненої зони частина енергії квантів передається електронам у вигляді кінетичної енергії.
критичною частоті # 110; кр відповідає гранична довжина хвилі
де с - швидкість світла (3 × 10 8 м / с). При довжинах хвиль, великих граничної, фотопровідність різко падає. Так, для германію гранична довжина хвилі складає приблизно 1.8 мкм. Однак спад фотопровідності спостерігається і в області малих довжин хвиль. Це пояснюється швидким збільшенням поглинання енергії з частотою і зменшенням глибини проникнення падющей на напівпровідник електромагнітної енергії. Поглинання відбувається в тонкому поверхневому шарі, де і утворюється основна кількість носіїв заряду. Поява великої кількості надлишкових носіїв тільки у поверхні слабо відбивається на провідності всього обсягу напівпровідника, так як швидкість поверхневої рекомбінації більше об'ємної і проникаючі вглиб неосновні носії заряду збільшують швидкість рекомбінації в об'ємі напівпровідника.
Фотопроводимость напівпровідників може виявлятися в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетової частинах електромагнітного спектра в залежності від ширини забороненої зони, яка, в свою чергу, залежить від типу напівпровідника, температури, концентрації домішок і напруженості електричного поля.
Розглянутий механізм поглинання світла, що приводить до появи вільних носіїв заряду в напівпровіднику, називають фотоактивним. Оскільки при цьому змінюється провідність, а отже, внутрішній опір напівпровідника, вказане явище було названо фоторезистивной ефектом. Основне застосування Фоторезістівний ефект знаходить у світлочутливих напівпровідникових приладах - фоторезисторах, які широко використовуються в сучасній оптоелектроніці і фотоелектронної автоматиці.
Конструкція і схема включення фоторезистора. Темновой і світловий струм
Фоторезисторами називають напівпровідникові прилади, провідність яких змінюється під дією світла.
Конструкція монокристалічного і плівкового фоторезисторів показана на рис. 1, 2 додатки. Основним елементом фоторезистора є в першому випадку монокристал, а в другому - тонка плівка напівпровідникового матеріалу.
Якщо фоторезистор включений послідовно з джерелом напруги (рис. 3 додатка) і не освітлений, то в його ланцюзі буде протікати темнової струм
де Е - е. д. з. джерела живлення; Rт - величина електричного опору фоторезистора в темряві, звана темнова опором; Rн - опір навантаження.
При висвітленні фоторезистора енергія фотонів витрачається на переклад електронів в зону провідності. Кількість вільних електронно-доручених пар зростає, опір фоторезистора падає і через нього тече світловий струм
Різниця між світловим і темнова струмом дає значення струму Iф. що отримав назву первинного фотоструму провідності
Коли променистий потік малий, первинний фотострум провідності практично безінерційна і змінюється прямо пропорційно величині променевого потоку, падаючого на фоторезистор. У міру зростання величини променевого потоку збільшується число електронів провідності. Рухаючись всередині речовини, електрони зіштовхуються з атомами, іонізують їх і створюють додатковий потік електричних зарядів, що отримав назву вторинного фотоструму провідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рух електронів провідності. В результаті цієї зміни фотоструму запізнюються в часі щодо змін світлового потоку, що визначає деяку інерційність фоторезистора.
Основними характеристиками фоторезисторів є:
Вольтамперная, що характеризує залежність фотоструму (при постійному світловому потоці Ф) або темнового струму від прикладеної напруги. Для фоторезисторів ця залежність практично лінійна (рис. 4 додатка). Закон Ома порушується в більшості випадків тільки при високих напругах на фоторезистори.
Світлова (люксамперная), що характеризує залежність фотоструму від падаючого світлового потоку постійного спектрального складу. Напівпровідникові фотрезістори мають нелінійну люксамперную характеристику (рис. 5 додатка). Найбільша чутливість виходить при малих освітленості. Це дозволяє використовувати фоторезистори для вимірювання дуже малих інтенсивностей випромінювання. При збільшенні освітленості світловий струм зростає приблизно пропорційно кореню квадратному з освітленості. Нахил люксамперной характеристики залежить від прикладеної до фоторезистору напруги.
Спектральна, що характеризує чутливість фоторезистора при дії на нього потоку випромінювання постійної потужності певної довжини хвилі. Спектральна характеристика визначається матеріалом, використовуваним для виготовлення світлочутливого елементу. Сірчистої-кадмієві фоторезистори мають високу чутливість у видимій області спектра, селенистий-кадмієві - у червоній, а сірчистої-свинцеві - в інфрачервоній (рис. 6 додатка).
Частотна. характеризує чутливість фоторезистора при дії на нього світлового потоку, що змінюється з певною частотою. Наявність інерційності у фоторезисторів призводить до того, що величина їх фотоструму залежить від частоти модуляції падаючого на них світлового потоку - зі збільшенням частоти світлового потоку фотоструму зменшується (рис. 7 додатка). Інерційність оганічівает можливості застосування фоторезисторів при роботі зі змінними світловими потоками високої частоти.
Основні параметри фоторезисторів:
Робоча напруга Uр - постійна напруга, прикладена до фоторезистори, при якому забезпечуються номінальні параметри при тривалій його роботі в заданих експлуатаційних умовах.
Максимально допустима напруга фоторезистора Umax - максимальне значення постійної напруги, прикладеної до фоторезистору, при якому відхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує зазначених меж при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах.
Темновое опір Rт - опір фоторезистора за відсутності падаючого на нього випромінювання в діапазоні його спектральної чутливості.
Світлове опір Rс - опір фоторезистора, виміряний через певний інтервал часу після початку впливу випромінювання, що створює на ньому освітленість заданого значення.
Кратність зміни опору KR - відношення темнового опору фоторезистора до опору при певному рівні освітленості (світловому опору).
Допустима потужність розсіювання - потужність, при якій не наступає незворотних змін параметрів фоторезистора в процесі його експлуатації.
Загальний струм фоторезистора - струм, що складається з темнового струму і фотоструму.
Фотострум - струм, що протікає через фоторезистор при зазначеному напрузі на ньому, обумовлений тільки впливом потоку випромінювання з заданим спектральним розподілом.
Питома чутливість - відношення фотоструму до твору величини падаючого на фоторезистор світлового потоку на прикладена до нього напруга, мкА / (лм · В)
де Iф - фотоструму, що дорівнює різниці струмів, що протікають по фоторезистори в темряві і при певній (200 лк) освітленості, мкА; Ф - падаючий світловий потік, лм; U - напруга, прикладена до фоторезистори, В.
Інтегральна чутливість - добуток питомої чутливості на граничне робоча напруга Sінт = К0 Umax.
Постійна часу # 116; ф - час, протягом якого фотострум змінюється на 63%, т. Е. В e раз. Постійна часу характеризує інерційність приладу і впливає на вигляд його частотної характеристики.
При включенні і виключенні світла фотоструму зростає до максимуму (рис. 8 додатка) і спадає до мінімуму не миттєво. Характер і тривалість кривих наростання і спаду фотоструму в часі суттєво залежать від механізму рекомбінації нерівноважних носіїв у даному матеріалі, а також від величини інтенсивності світла. При малому рівні інжекції наростання і спад фотоструму в часі можна представити експонентами з постійною часу # 116 ;, що дорівнює часу життя носіїв в напівпровіднику. В цьому випадку при включенні світла фотоструму iф буде наростати і спадати в часі за законом
де Iф - стаціонарне значення фотоструму при освітленні.
По кривим спаду фотоструму в часі можна визначити час життя # 116; нерівноважних носіїв.
Як матеріали для фоторезисторів широко використовуються сульфіди, селеніди і теллуріди різних елементів, а також з'єднання типу AIII BV. В інфрачервоній області можуть бути використані фоторезистори на основі PbS, PbSe, PbTe, InSb, в області видимого світла і ближнього ультрафіолету - CdS.
В останні роки фоторезистори широко застосовуються в багатьох галузях науки і техніки. Це пояснюється їх високою чутливістю, простотою конструкції, малими габаритами і значною допустимої потужністю розсіювання. Значний інтерес представляє використання фоторезисторів в оптоелектроніці.
Реєстрація оптичного випромінювання
Для реєстрації оптичного випромінювання його світлову енергію зазвичай перетворюють в електричний сигнал, який потім вимірюють звичайним способом. При цьому перетворенні зазвичай використовують такі фізичні явища:
- генерацію рухомих носіїв в твердотільних фотопровідних детекторах;
- зміна температури термопар при поглинанні випромінювання, що приводить до зміни термо-е. д. с .;
- емісію вільних електронів в результаті фотоелектричного ефекту з фоточутливих плівок.
Найбільш важливими типами оптичних детекторів є наступні пристрої:
Схема напівпровідникового фотодетектора наведена на рис. 9 додатка. Напівпровідниковий кристал послідовно з'єднаний з резистором R і джерелом постійної напруги V. Оптична хвиля, яку потрібно зареєструвати, падає на кристал і поглинається їм, порушуючи при цьому електрони в зону провідності (або в напівпровідниках p- типу - дірки в валентну зону). Таке порушення призводить до зменшення опору Rd напівпровідникового кристала і, отже, до збільшення падіння напруги на опорі R, яке при # 68; Rd / Rd <<1 пропорционально плотности падающего потока. В качестве примера рассмотрим энергетические уровни одного из наиболее распространенных полупроводников – германия, легированного атомами ртути. Атомы Hg в германии являются акцепторами с энергией ионизации 0.09 эВ. Следовательно, для того, чтобы поднять электрон с верхнего уровня валентной зоны и чтобы атом Hg (акцептор) сумел захватить его, необходим фотон с энергией по крайней мере 0.09 эВ (т. е. фотон с длиной волны короче 14 мкм). Обычно кристалл германия содержит небольшое количество ND донорных атомов, которым при низких температурах энергетически выгодно отдавать свои валентные электроны большому количеству NA акцепторных атомов. При этом возникает равное количество положительно ионизированных донорных и отрицательно ионизированных акцепторных атомов. Так как концентрация акцепторов NA>> ND. більшість атомів-акцепторів залишається незарядженим.
Падаючий фотон поглинається і переводить електрон з валентної зони на рівень атома-акцептора, як це показано на рис. 10 додатка (процес А). Виникає при цьому дірка рухається під дією електричного поля, що призводить до появи електричного струму. Як тільки електрон з акцепторного рівня повертається назад в валентну зону, знищуючи тим самим дірку (процес B), струм зникає. Цей процес називається електронно-доречний рекомбінацією або захопленням дірки атомом акцептора.
Вибираючи домішки з меншою енергією іонізації, можна виявити фотони з більш низькою енергією. Існуючі напівпровідникові фотодетектори зазвичай працюють на довжинах хвиль аж до # 108; »32 мкм.
Зі сказаного випливає, що головною перевагою напівпровідникових фотодетекторів в порівнянні з фотоумножителями є їх здатність реєструвати довгохвильове випромінювання, оскільки створення рухливих носіїв в них не пов'язане з подоланням значного поверхневого потенційного бар'єру. Недоліком же їх є невелике посилення по току. Крім того, для того щоб ФОТОЗБУДЖЕНОГО носії не маскувався тепловим збудженням, напівпровідникові фотодетектори доводиться охолоджувати.
1 # 46; Гершунский Б. С. Основи електроніки та мікроелектроніки. - К. Вища школа. 1989. - 423 с.
2 # 46; Практикум з напівпровідників і напівпровідникових приладів; під ред. К. В. Шалімова. - М. Вища школа. 1968. - 464 с.
3 # 46; Федотов Я. А. Основи фізики напівпровідникових приладів. - М. Радянське радіо. 1970. - 591 с.
4 # 46; Yariv A. Introduction To Optical Electronics. - М. Вища школа. 1983. - 400 с.
5 # 46; Kittel C. Introduction To Solid State Physics, 3d Ed. - New York: Wiley, 1967. - p. 38.
6 # 46; Kittel C. Elementary Solid State Physics. - New York - London: Wiley, 1962.