Принцип работы фоторезистора

13.2. Содержание работы

Фотоэффект (фотоэлектрический эффект) — это собирательное название явлений, в которых при поглощении электромагнитного излучения веществом происходит освобождение заряженных частиц. В частности, внешний фотоэффект — это вырывание светом электронов из поверхности вещества в вакуум. Внутренний фотоэффект — это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника (диэлектрика) из связанных состояний в свободные. При этом в полупроводнике возникает добавочная проводимость (фотопроводимость).

Как известно, с точки зрения зонной теории кристаллов [1,2], отличие полупроводников от металлов не количественное, а качественное и связано с особенностями именно зонной структуры. У металлов валентная зона заполнена электронами не полностью, поэтому валентные электроны при сообщении совсем небольшой энергии (10^–23 ÷ 10^–22  эВ) могут переходить на более высокие энергетические уровни. В частности, при действии на электроны электрического поля они приобретают дополнительную скорость в направлении, противоположном полю, и принимают участие в упорядоченном движении. Иными словами, у металлов все валентные электроны являются электронами проводимости (а зона проводимости совпадает с валентной зоной).

Напротив, у полупроводников (и диэлектриков) количество уровней в валентной зоне в точности равно количеству валентных электронов. Поэтому ближайшие уровни, на которые могли бы перейти электроны, относятся к вышележащей энергетической зоне (она и будет зоной проводимости). Для того, чтобы перевести электрон в чистом проводнике на более высокий энергетический уровень, необходимо сообщить ему энергию, не меньшую ширины запрещенной зоны, отделяющей зону проводимости от валентной зоны. При этом в валентной зоне образуется незанятый уровень — дырка — на который смогут теперь легко переходить валентные электроны с ближайших к нему уровней. Таким образом, возникает пара свободных носителей заряда: электрон проводимости и дырка в валентной зоне. Переход валентных электронов в зону проводимости в полупроводниках происходит, главным образом, за счет энергии теплового движения.

При поглощении фотона, энергия которого Е = hν равна ширине запрещенной зоны полупроводника ∆E (или превосходит ее), также может образоваться пара электрон-дырка. Если полупроводник содержит примеси, имеющие энергетические уровни в запрещенной зоне проводника, для создания электронно-дырочной пары фотону достаточно иметь энергию hv ≥ ∆Е₁, где ∆Е₁ — энергия активации примесного атома. (Разумеется, это относится и к тепловому механизму рождения носителей.)

Из вышесказанного ясно, что свет будет поглощаться полупроводником, только если его длина волны удовлетворяет условию λ ≤ λ₀, где λ₀ — красная граница фотопроводимости, определяемая из условия




для собственных (чистых) полупроводников или




для примесных. Энергия квантов света с λ > λ₀ будет недостаточной, чтобы вызвать переход электронов в зону проводимости, и облучение таким светом не создает фотопроводимости.



С другой стороны, свет с длиной волны, меньшей некоторой λ_max, также оказывается мало активным фотоэлектрически, несмотря на то, что хорошо поглощается полупроводником. (На рис. 13.1 схематически показаны графики зависимости коэффициента поглощения А (тонкая линия) и фотопроводимости σ_Ф (жирная линия) от длины волны λ.) Наличие фотоэлектрически неактивного поглощения фотонов свидетельствует о существовании особого механизма возбуждения атомов, не приводящего к появлению носителей тока. Таким механизмом оказывается образование экситонов [3].

Экситоном называется связанная кулоновскими силами система из электрона проводимости и дырки, образовавшейся в валентной зоне при перескоке электрона в зону проводимости. Такая система переносится по кристаллу как единое целое, подобно атому водорода (хотя радиус экситона во много раз больше межатомных расстояний!). Будучи электрически нейтральными, экситоны не дают вклада в проводимость.

Явление внутреннего фотоэффекта используется в двух типах полупроводниковых приборов: в фотодиодах — преобразователях световой энергии в электрическую (например, солнечные батареи) и в фоторезисторах — пассивных радиоэлементах, сопротивление которых зависит от освещённости.

В настоящей работе изучаются свойства фоторезисторов. На рисунке 13.2 показана схема одного из типов сопротивления. Оно состоит из тонкого полупроводникового слоя 2 (например, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый кадмий), нанесённого на изолирующую подложку 1, металлических электродов 3, посредством которых фотосопротивление включается в цепь, и защитного лакового покрытия 4.

Для характеристики полупроводникового фотосопротивления и возможной области его применения вводится ряд параметров. Важнейшими из них являются: интегральная и спектральная чувствительности, вольтамперная характеристика, постоянная времени, рабочее напряжение, световая характеристика, кратность изменения сопротивления.



Под интегральной чувствительностью (k₀) фоторезистора понимают отношение фототока (I_Ф) к величине падающего светового потока (Ф), если к фоторезистору приложено напряжение U = 1 В:


Световая (люкс-амперная) характеристика фоторезистора выражает зависимость фототока от величины светового потока, падающего на фотосопротивление, при постоянном напряжении. Световая характеристика фотосопротивлений не является линейной, что свидетельствует о сложном характере явлений, происходящих при внутреннем фотоэффекте. (В данной лабораторной работе понятие «световая характеристика» имеет несколько иной смысл — см. раздел «Методика эксперимента»)

Спектральная чувствительность характеризует величину фототока при действии на фотосопротивление единицы светового потока определенной длины волны при определенном приложенном напряжении.

Вольтамперная характеристика фотосопротивления отражает зависимость силы фототока от напряжения, приложенного к фотосопротивлению, при неизменном световом потоке. Для большинства фотосопротивлений вольтамперная характеристика имеет линейный характер, т.е. существует пропорциональная зависимость между фототоком и напряжением при напряжениях, не превышающих допустимое.

Фотоэлектрические процессы в фотосопротивлении обладают инерционностью. Поэтому, когда на поверхность фотосопротивления начинает падать свет, фототок достигает максимального значения не мгновенно, а через некоторый промежуток времени. Аналогичное явление наблюдается и при внезапном прекращении освещения. Процесс освобождения светом новых электронов и дырок сопровождается их рекомбинацией. По мере роста концентрации избыточных носителей заряда скорость рекомбинации также растет, и только по истечении некоторого времени после начала освещения концентрации электронов и дырок достигают равновесных значений, которые сохраняются, пока освещение неизменно.

После прекращения освещения избыточные носители не мгновенно, а в течение некоторого времени рекомбинируют друг с другом до тех пор, пока не установится концентрация носителей заряда, характерная для неосвещенного полупроводника (темновая концентрация). Инерционность фотосопротивлений характеризуется постоянной времени τ, которая определяется как время, за которое фототок после прекращения освещения уменьшается в е раз.

Кратность изменения сопротивления определяет, во сколько раз изменяется омическое сопротивление фоторезистора при его освещении: