Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
96
водника будет характеризоваться появлением локального уровня примеси, лежащего в запрещенной зоне (рис. 4.1, б, в).
Переходы электронов из связанного состояния в свободное могут происходить из-за их теплового движения, что обусловливает темновую проводимость полупроводника, или из-за поглощения квантов потока излучения, что сопровождается появлением фотопроводимости.
Фотопроводимость может возникнуть, если энергия падающего кванта (hv, эВ) достаточна для сообщения электрону энергии для преодоления запрещенной зоны:
hv ;> АЕ3. (4.1)
Для примесных полупроводников (см. рис. 4.1, б, в) hv ^ АЕа или hv ^ АЕл.
Из этих выражений следует, что длинноволновая граница спектральной чувствительности полупроводниковых приемников на внутреннем фотоэффекте (мкм)
Г = hc/AE3 = 1,242/Л?8, (4.2)
где h — постоянная Планка; с — скорость распространения электромагнитных колебаний; X" — предельная длина волны монохроматического излучения, при которой возникает внутренний фотоэффект; АЕа—-ширина запрещенной зоны, эВ.
Чтобы определить длинноволновую границу чувствительности примесных полупроводников, в выражение (4.2) вместо АЕа подставляют АЕа или AEd. Однако здесь следует отметить, что энергия активации многих примесей в полупроводнике меньше средней энергии тепловых колебаний решетки полупроводника при комнатной температуре (0,026 эВ), поэтому примесные атомы уже при комнатной температуре ионизированы термически, существует проводимость проводника и, чтобы это устранить, полупроводник приходится охлаждать.
§ 4.2. Фоторезисторы
! Фоторезистором (ФР) называется ПИ, принцип действия которого основан на эффекте фотопроводимости. Под действием потока излучения вследствие внутреннего фотоэффекта у ФР меняется сопротивление.
Фоторезисторы представляют собой пленки или пластинки фото-чувствительного полупроводникового материала, снабженные двумя невыпрямляющими контактами для включения их в электрическую цепь. ФР неполярны, они одинаково проводят ток в любом направлении, поэтому их можно питать постоянным и переменным током.1 ФР создают на базе собственного и примесного (для ИК-области спектра) поглощения. Наиболее распространены неохлаждаемые ФР на базе полупроводников без примесей с собственным поглощением.
4 Г. Г. Ишаннн и др.
97
Пути увеличения фотопроводимости ФР при поглощении потока излучения следующие (см. рис. 4.1):
переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости (увеличивается собственная проводимость, рис. 4.1, а);
переходы электронов с примесных донорных уровней в запрещенной зоне в зону проводимости (увеличивается электронная проводимость, рис. 4.1, б);
переходы электронов из валентной зоны на акцепторный уровень (увеличивается дырочная проводимость, рис. 4.1, б).
Рассмотрим явления фотопроводимости на примере собственного полупроводника с малой толщиной Я, много меньшей
1 /а (X,), где а (X,) — спектральный показатель поглощения, см'1. В этом случае при его освещении происходит равномерная генерация неравновесных носителей заряда Дл и Ар, 1 см3 по всей толщине полупроводника по отношению к равновесной концентрации электронов па, 1/см3 и дырок р0, 1/см3 в неосвещенном полупроводнике. Если пренебречь действием ловушек, то можно считать, что Ап = Ар. Общая концентрация носителей в собственном полупроводнике будет п = щ + Дл; р — р0 + Ар.
Постоянная времени и частотная характеристика ФР. При освещении ФР на основе собственной проводимости генерируется g, 1/(см3-с), электронов (и столько же дырок), а иХ\КОнцентрация растет по закону [12]
d (Ап)!At = g = а (к) г] (А,) Ерк, (4.3)
где т] (X,) — квандовйи выход полупроводника, 1 /квант; ЕрХ —
облученность ФР в квантах, квант/см2-с.
По мере увеличения числа носителей в зоне проводимости растет вероятность их рекомбинации, а при равномерном во времени освещении через некоторое время второй процесс уравновешивает первый и уравнение (4.3) примет вид
d (An)!dt — g — Ал/т, (4.4)
где т — среднее время жизни носителя, с.
Решив уравнение (4.4) с начальными условиями t — О, Ал = О, получим
Ал = gx (1 — t~t/x), (4.5)
где gx = Апу — установившаяся концентрация носителей при
равномерном во времени освещении, когда d (An)!dt = 0. Общая концентрация носителей
и = «о + (1 — е-^т). (4.6)
Из уравнения (4.5) видно, что Ал асимтотически приближа-
ется к своему установившемуся значению Апу, поэтому х есть время релаксации для фотопроводимости.
Если ФР затемнить, то генерация носителей прекратится и уравнение (4.4) примет вид
d (Дл)^ = —Ал/т, (4.7)
98
откуда после решения с началь- 1000 В00 600 т 200ЕЛмМ ными условиями t = 0 и Апу = gx получим
Ап = ?те~</т (4.8)
или
п — п0 + gTe~^x. (4.9)
Рассмотренные выражения аналогичны и для дырок в собственном полупроводнике.
В случае линейной рекомбинации постоянные времени нарастания тн и спада тсц равны времени жизни носителей в собственном полупроводнике. У примесных полупроводников при большой концентрации рекомбинационных ловушек они тоже равны, т. е. тн = тсп, а при малой концентрации рекомбинация пропорциональна квадрату концентрации носителей и тн Ф тсп. Следует также отметить, что тн и тсп и стационарное состояние фотопроводимости зависят от потока излучения, падающего на ФР, и его температуры. Увеличение освещенности ФР приводит к возрастанию числа свободных носителей а при их увеличении возрастает и их рекомбинация, что ускоряет нарастание и спад фотопроводимости и уменьшает тн и тсп. Степень уменьшения тн больше степени уменьшения тсп. Этот процесс в начале зависимости идет быстро, а затем замедляется (рис. 4.2). Чаще всего тн и тсп измеряют при освещенности 200 лк.
