Общие сведения о фотоприемниках

Фотоприемники предназначены для преобразования энергии светового излучения в электрическую. В качестве фотоприемников используются фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т. д. [1].

Фотоэлектрические явления, лежащие в основе работы фотоприемников, можно разделить на три основных вида:

1) внутренний фотоэффект (фоторезистивный эффект) – изменение электропроводимости полупроводника при его освещении;

2) фотоэффект в запирающем слое p-n-перехода – возникновение ЭДС под действием света на границе раздела двух полупроводников p - и n -типа;

3) внешний фотоэффект – испускание веществом электронов под действием света (в вакуумных и газонаполненных фотоэлементах).

Фоторезисторы

В затемненном полупроводнике имеется незначительное количество равновесных свободных (подвижных) носителей заряда (электронов и дырок). Равновесные носители заряда создаются за счет теплового поля; концентрация равновесных носителей (как основных, так и неосновных) возрастает с ростом температуры (см. тему 2).

При этом считается, что за счет равновесных носителей полупроводник обладает начальной проводимостью g_т, которая носит название темновой:

g_т = e (n ₀m _n + p ₀m _p), Ом^–1м^–1, (3.15)

где e – заряд электрона; n ₀, p ₀ - концентрация (м^–3) равновесных носителей заряда в полупроводнике в неосвещенном состоянии.

При облучении светом в фоторезисторах реализуется внутренний фотоэффект - явление изменения проводимости материала под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения.

Рассмотрим механизм возникновения фотопроводимости в материале при облучении (рис. 3.15, а) фоторезистора импульсным светом со временем импульса t _и (рис. 3.15, в).

Рис. 3.15. Фоторезистор (а), его УГО (б), осциллограммы параметров (в - е)

Под действием света появляются дополнительные свободные носители заряда, которые, в отличие от равновесных, называются неравновесными. При выключении света неравновесные носители постепенно исчезают (см. ниже), так что в темноте проводимость вновь определяется равновесными носителями.

Таким образом, при облучении в объеме материала увеличивается концентрация свободных носителей за счет дополнительной генерации неравновесных носителей заряда. Возможны различные механизмы генерации неравновесных носителей [4]: собственная (биполярная) и примесная фотогенерация. При собственной (биполярной) генерации в объеме материала образуются дополнительные электронно-дырочные пары, при примесной – только электроны или дырки.

При фоторезистивном эффекте по мере облучения светом в результате фотогенерации в полупроводнике увеличивается концентрация носителей заряда на величину концентрации неравновесных электронов D n и (или) дырок D p, так что его полная проводимость g_общ резко возрастает:

g_общ = e [(n ₀ + D n)m _n + (p ₀ + D p)m _p)]. (3.16)

Изменение электропроводимости полупроводника под действием света характеризует величину его фотопроводимости g_ф:

g_ф = Dg = (g_общ - g_т) = е (m _n D n + m _p Dp), (3.17)

которая изменяется в зависимости от яркости, длины волны и т. п.

Темновым значением g_т проводимости можно пренебречь, потому что оно крайне мало по сравнению со значением фотопроводимости.

При включении потока (рис. 3.15, в) облучающего света Ф (лм) в момент времени t ₁ скорость процесса генерации неравновесных носителей заряда не сразу достигает стационарного значения, соответствующего интенсивности падающего излучения, а нарастает со временем до момента t ₂ по экспоненциальному закону (рис. 3.15, д). Концентрация неравновесных носителей D n (t) изменяются по соотношению [4]:

D n (t) = t С (1 - e^{- t /t}), (3.18)

где t - время жизни неравновесных носителей заряда, c; C - скорость рекомбинации неравновесных носителей, определяемая следующим образом:

C = b N Ψ, 1/м³с, (3.19)

где N - концентрация фотонов, падающих на единицу площади за 1 секунду, 1/м³с; b – коэффициент поглощения, характеризующий энергию, поглощенную полупроводником; Ψ - квантовый выход, определяющий число носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона, Ψ≥ 1.

Соответственно изменяется и проводимость материала (рис. 3.15, г). Если время облучения (время светового импульса t _и) достаточно велико: t _и ³ (3 – 5) t, то концентрация неравновесных носителей заряда достигает своего стационарного значения в момент времени t _3.

Например, при биполярной генерации концентрации появляющихся неравновесных дырок и электронов одинаковы:

D n _ст(t ₂) = D p _ст(t ₂) = t С = bt NY. (3.20)

При примесной фотопроводимости происходит генерация носителей одного знака, причем их концентрация в переходных режимах также изменяется по аналогичному (3.18) экспоненциальному закону.

При выключении облучающего потока света в момент времени t ₃ изменение концентрации неравновесных носителей заряда и проводимости материала не может произойти мгновенно, так как для рекомбинации электронов с дырками (рис. 2.6, а, переход II) требуется определенное время – время жизни t неравновесных носителей заряда. Именно поэтому после выключения света фотопроводимость не исчезает ″мгновенно″.

Явление постепенного изменения g_ф(t) при включении и выключении облучающего потока называют релаксацией фотопроводимости.

Начиная с момента выключения (рис. 3.15. г, д, е), параметры фоторезистора описываются выражениями

D n (t) = D n _стe^{- t /t}, (3.21)

g_ф(t) = g_oбщe^{- t /t} , (3.22)

где D n _ст, g_oбщ - параметры материала в момент выключения света.

Например, в момент выключения t ₀ (рис. 3.15, е) значение концентрации неравновесных носителей равно D n _ст. C учетом соотношения (3.21) и (3.22) время жизни t экспериментально может быть определено как время, в течение которого концентрация носителей (или проводимость) уменьшается на 63 % (в e ≈ 2,71) раз по сравнению тем исходным значением, которое было в момент выключения:

D n (t) = D n _стe^-t/t = D n _ст/e. (3.23)

Значение t может быть рассчитано по экспериментальным данным (рис. 3.15, е).