Физика полупроводниковых приборов - Зи С.М.
Скачать (прямая ссылка):
пластины полупроводника (монолитной или в виде пленки) с^омическими
контактами, присоединенными к противоположным концам пластины, как
показано на рис. 20, При падении излучения на поверхность фоторезистора в
нем генерируются носители вследствие возникновения либо межзонных
переходов (собственное возбуждение), либо переходов с участием
энергетических уровней в запрещенной зоне (примесное возбуждение), что
приводит к увеличению проводимости. В случае собственных фоторезисторов
проводимость выражается формулой сг=<7(р,я/2-гjApp), и увеличение
проводимости при освещении обусловливается главным образом увеличением
числа носителей. Длинноволновая граница в этом случае дается выражением
а\,2 ВЦ2
D* - NEP
(31)
К ~ Eg Ее [эе]
he 1,24
(32)
5 МКМ,
где Лс - длина волны, соответствующая ширине запрещенной зоны
полупроводника Ее.
Излучение с длиной волны, меньшей Лс, поглощается в полупроводнике с
образованием пар электрон - дырка. В случае примесного фоторезистора
фотовозбуждеиие может происходить между краем зоны и энергетическим
уровнем в запрещенной зоне. Фотопроводимость может возникать при
поглощении фотона с энергией, равной илн превышающей энергию, отделяющую
уровень в запрещенной зоне от зоны проводимости или валентной зоны.
Работа фотодетекторов вообще и фоторезисторов в частности характеризуется
двумя факторами: усилением и временем фотоответа 1[Л- 33]. Усиление
определяется числом носителей заряда, проходящих между контактами
фоторезистора в секунду при поглощении одного фотона в секунду:
усиление = (33>
где Д/ - фототок в амперах и Оцар - полное число электронно-дырочных пар,
созданных в фоторезисторе в секунду при поглощении излучения.
Усиление может также быть выражено как отношение времени жизни свободных
носителей ко времени пролета носителей, т. е. времени, необходимого для
прохождения носителя между контактами. Для полупроводников, в которых
преобладают носители одного типа,
Омическии контакт Омический
контакт Фоторезистор
Рис. 20. Схематическое изображение фоторезистора, состоящего из пластины
полупроводника с двумя омическими контактами на концах.
усиление =
тр.U
(33а)
где т - время жизни свободных носителей; tT - время пролета этих
носителей; р. - подвижность; U - приложенное напряжение; L - расстояние
между контактами (см. рис. 20).
Таким образом, усиление в сильной степени зависит от времени жизни
свободных носителей. В образцах с большим временем жизни и малым
расстоянием между контактами усиление может быть существенно больше
единицы. Некоторые типичные значения [Л. 33] усиления и времени
фотоответа приведены в табл. 12-1.
Для повышения чувствительности в инфракрасной области спектра
фоторезисторы должны охлаждаться, чтобы уменьшить тепловые эффекты,
приводящие к термической ионизации и опустошению уровней, и повысить
усиление и эффективность детектирования. Однако одновременно
увеличивается время жизни носителей, что
Таблица 12-1 Типичные значения усиления и времени фотоответа
Фотодетекторы Усиление Время фотоответа, С
Фоторезисторы 105 ю-3
р-п переходы 1 10 11
p-i-n переходы 1 10-10
Транзисторы с р-п переходами 102 10-8
Лавинные фотодиоды 104 10-ю
Диоды со структурой металл -- полупро- 1 10-"
водник
Полевые транзисторы 102 I0-7
приводит к увеличению времени фотоответа. Для резистора, чувствительность
которого ограничена фоновым излучением, идеальное значение D* при
квантовом выходе, равном единице, выражается зависимостью [Л. 32а]
"о. , г .. сехр(^) см(гц)112
^ 2 VnhkT v2 (1 + 2? + 2?2)1^2 ' ет > <34)
где с - скорость света; Т - температура окружающей среды, °К; ?='hv/kT.
Идеальное значение D* изображено на рис. 21 (пунктирная кривая) для
температуры окружающей среды 300 °К- Здесь же представлены некоторые
типичные значения D* для таких фоторезисторов, как CdS, PbS, германий р-
типа, легированный золотом (Ge+ +Au), германий, легированный ртутью
(Ge+Hg) (в соответствии с рис. 12 гл. 2 для энергетических уровней
примесей). Заметим, например, что для детектирования в области сине-
зеленого излучения с длиной волны около 0,5 мкм наиболее высокой
чувствительностью обладают фоторезисторы, изготовленные из CdS, в то
время как для детектирования излучения .с %=2 мкм наилучшими оказываются
PbS-фоторезисторы.
При детектировании высокочастотных оптических сигналов и особенно
когерентного излучения необходимо рассматривать мощность и отношение
сигнала к шуму. Постоянный фототок, генерируемый потоком фотонов с
плотностью Фо в единицах фотон/сек ¦ см2 при условии однородного
поглощения, равен [JI. 35]:
10=^Ф0А j (35)
Lr
где т] - квантовый выход; А - площадь; т и tT определяются уравнением
(33а). '
При детектировании переменного сигнала принимается, что плотность
падающего потока фотонов Ф зависит от времени и может быть представлена в
виде
где со/(2я)-частота (как правило, в микроволновой области).
Рис. 21. Регистрирующая способность D как функции длины волны для'
