Появление неравновесных носителей в полупроводниках под действием электромагнитного излучения носит название внутреннего фотоэффекта, а возникающая при этом проводимость называется фотопроводимостью. Для появления дополнительных свободных носителей заряда необходимо, чтобы энергия электромагнитного кванта была не меньше, чем энергия активации проводимости (ширины запрещенной зоны): в собственных полупроводниках hν ≥ Δ Е0 (рис. 2.7). В этом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника, т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны, могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 2.7), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как электронами, так и дырками.
Из этих условий можно найти красную границу внутреннего фотоэффекта:
Рис. 2.7. Возникновение фотопроводимости у полупроводников.
У собственных полупроводников красная граница лежит в видимой области. На рис. 2.8. представлена зависимость удельной электропроводности полупроводников от длины световой волны. При λ > λ 0 внутренний фотоэффект не наблюдается. Спад фотопроводимости в коротковолновой части полосы поглощения объясняется большой скоростью рекомбинации в условиях сильного поглощения в тонком поверхностном слое толщиной x » 1мкм (коэффициент поглощения » 10 6 м -1 ).
Наряду с поглощением, приводящим к появлению фотопроводимости, может иметь место экситонный механизм поглощения. Экситоны представляют собой квазичастицы — электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.
Рис. 2.8. Зависимость удельной электропроводности полупроводников от длины световой волны.
На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фоторезисторов – полупроводниковых фотоэлементов, которые изменяют свою электропроводность в зависимости от интенсивности и спектрального состава падающего на них излучения. Основу фоторезистора представляет тонкий слой (или пленка) полупроводникового материала на подложке с нанесенными на него электродами, посредством которых фоторезистор подключается к цепи. В зависимости от назначения фоторезисторы могут быть одно- или многоэлементными (мозаичными), с охлаждением или без него, открытые или герметизированные, выполненные в виде отдельного изделия или в составе интегральной схемы. Фоторезисторы из CdS и CdSe чувствительны в очень широком спектральном диапазоне – от γ — излучения до ближней ИК области, из PbS, PbSe, InSb – в инфракрасной области (до 14 мкм), легированные Si и Ge – также в ИК (до 40 мкм). Для фоторезисторов характерны высокая чувствительность, стабильность фотоэлектрических характеристик во времени, простота устройства. Их применяют как детекторы излучений в системах автоматического регулирования, в фототелеграфии, в различных устройствах оптоэлектроники.
Урок 305. Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость.
Методика эксперимента
Электропроводность собственного полупроводника, обусловленная тепловым возбуждением, называется темновой проводимостью:
где n – концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне; unи up– подвижность электронов и дырок соответственно; qe – заряд носителя тока.
При освещении полупроводника возникают дополнительные свободные носители заряда, обусловленные внутренним фотоэффектом. При поглощении кванта света один из валентных электронов переходит в зону проводимости, а в валентной зоне образуется дырка. Очевидно, такой переход возможен, если энергия фотона hν равна или несколько больше ширины запрещенной зоны Δ E0:
hν ≥ Δ E0. (2.2)
Из сказанного ясно, что полная электропроводность складывается из темновой и фотопроводимости:
Основными характеристиками фоторезистора являются вольт-амперная, световая и спектральная.
Вольт-амперной характеристикой называется зависимость тока, протекающего через фоторезистор, от величины приложенного напряжения при постоянном световом потоке I = f (U)Ф = Сonst:
где IC – световой ток; IТ – темновой ток; IФ – фототок; S – площадь поперечного сечения; l – длина проводника.
В частности, если световой поток равен нулю, то характеристика называется темновой. Из уравнения (2.4) видно, что вольт-амперная характеристика как темновая, так и при освещении является линейной, поскольку при постоянной температуре (ток, протекающий через фоторезистор, не должен приводить к разогреву полупроводникового прибора) и постоянном световом потоке электропроводность не зависит от напряжения. Следует отметить, что в области обычно реализуемых освещенностей световой ток намного больше темнового, т. е. IС ≈ IФ.
Световой характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока от величины падающего светового потока при постоянном значении приложенного напряжения IФ=f(Ф)U=Const. Световая характеристика обычно нелинейная. При больших освещенностях увеличение фототока отстает от роста светового потока, намечается тенденция к насыщению. Это объясняется тем, что при увеличении светового потока наряду с ростом концентрации генерируемых носителей заряда растет вероятность их рекомбинации.
Спектральной характеристикой называется зависимость фототока от длины волны при постоянной энергии падающего излучения IФ=f(λ )Ф=Const, U=Const. Фототок в собственном полупроводнике появляется, начиная с длины волны λ 0 соответствующей равенству
где Δ E0 – ширина запрещенной зоны полупроводника; λ 0 – край собственного поглощения (красная граница фотоэффекта); с – скорость света в вакууме.
Зная ширину запрещенной зоны, можно определить полупроводник, из которого сделан фоторезистор (таблица 2.1).
Таблица 2.1
| Полупроводник | Ge | Si | InSb | GaAs | GaP | CdS | CdSe | PbS |
| Δ E , эВ | 0, 72 | 1, 12 | 0, 17 | 1, 42 | 2, 26 | 2, 42 | 1, 70 | 0, 41 |
С увеличением энергии фотона в реальной спектральной характеристике фототок быстро достигает максимума, а затем начинает уменьшаться. Это объясняется тем, что с уменьшением λ растет коэффициент оптического поглощения, а это приводит к поглощению света в тонком приповерхностном слое вещества, к повышению концентрации неравновесных носителей и соответственно повышенной скорости рекомбинации в этом слое.
В качестве источников света в лабораторной установке используется набор светодиодов (кластер), излучающих в различных узких диапазонах длин волн. Эти диапазоны лежат в видимой и инфракрасной частях спектра.
На рис. 2.9 представлена электрическая схема. В качестве источника ЭДС используется генератор регулируемого постоянного напряжения блока ИПС1, работающий в диапазоне 0..6, 3В. Такое включение измерительных приборов позволяет исключить шунтирование вольтметром фоторезистора. При этом в рабочем диапазоне токов влияние внутреннего сопротивления амперметра на показания вольтметра незначительное.
При выполнении работы необходимо учитывать, что в лабораторной установке устанавливается не абсолютная, а относительная интенсивность излучения J/J0, где J0 – некоторая константа, задаваемая измерительным прибором, и регулируется пользователем с помощью регулятора.
Рис. 2.9. Схема измерительной установки.
Лабораторная установка
Экспериментальная установка (рис. 2.10) для изучения внутреннего фотоэффекта состоит из:
— амперметра 1 и вольтметра 2, собранных конструктивно в одном корпусе 3;
— блока питания ИПС1 4, включающего в себя генератор постоянного напряжения 5 и узел 6, управляющий светодиодным кластером, состоящим из 8 светодиодов с различными длинами волн излучения;
— стенда 7 с объектами исследования С3-ОК1, содержащего набор излучателей 8 и исследуемый фоторезистор 9.
Рис. 2.10. Лабораторная установка.
Порядок выполнения работы
1. Соберите схему, показанную на рис.2.9.
2. Включите установку, нажав на кнопки «Сеть» на блоках 3 и 4. Установите максимальное значение интенсивности светового потока. Для этого необходимо вращать ручку 13.
3. Снимите семейство вольт-амперных характеристик I = f(U)J/J0=Const, λ =Const. Для этого нажатием кнопки 10 переключения светодиодов установите длину волны излучения источника света, порядковый номер которого «1». Номер выбранного источника отображается на индикаторе 11. Вращая регулятор 12 напряжениягенератора 5, снимите при этой длине волны вольт-амперную характеристику фоторезистора I(U). Полученные данные занесите в таблицу 2.2.
4. Повторите соответствующие измерения силы тока и напряжения при других длинах волн, которые указаны в таблице 2.2.
5. Снимите семейство световых характеристик IФ = f (J/J0)U =Const, λ =Const. Для этого сначала установите минимальное значение интенсивности светового потока, вращая ручку 13, а также установите напряжение генератора, равное 6В. Далее, меняя значения интенсивности светового потока вращением ручки 13, снимите соответствующие им значения фототока. Полученные данные занесите в таблицу 2.3.
6. Повторите соответствующие измерения интенсивности светового потока и силы фототока при других длинах волн, которые указаны в таблице 2.3.
7. Снимите спектральную характеристику фоторезистора IФ = f(λ )J/J0=Const, U =Const. Для этого установите максимальное значение интенсивности светового потока и напряжение генератора, равное 6В. Изменяя длину волны света, падающего на фотоэлемент, с помощью кнопки 10, снимите соответствующие значения фототока. Полученные данные занесите в таблицу 2.4.
8. По результатам измерений, проведенных согласно пунктам 3-7, постройте графики вольт-амперной, световой и спектральной характеристик фоторезистора.
9. Определите по спектральной характеристике край собственного поглощения λ 0. Оцените ширину запрещенной зоны полупроводника Δ Е, из которого сделан фоторезистор, по формуле (2.5). Запишите полученное значение в электрон-вольтах. Определите, пользуясь таблицей 2.1, полупроводник, из которого сделан фоторезистор.
Таблица 2.2
| № п/п | |
| l0 | U, В |
| I, мкА | |
| l2 | U, В |
| I, мкА | |
| l6 | U, В |
| I, мкА |
Таблица 2.3
| № п/п | |
| l2 | J/J0 |
| IФ, мкА | |
| l4 | J/J0 |
| IФ, мкА | |
| l6 | J/J0 |
| IФ, мкА |
Таблица 2.4
| l, нм |
| IФ, мкА |
Контрольные вопросы
1. Что такое внутренний фотоэффект?
2. Почему образуются зоны в кристалле?
3. Объясните механизм электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков с точки зрения зонной теории.
4. Что такое собственные полупроводники?
5. Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников и какие типы этой проводимости вы знаете?
6. Что такое фотопроводимость? Расскажите о механизме фотопроводимости в собственных полупроводниках.
7. Чем обусловлено поглощение света в собственном полупроводнике?
8. Что такое фоторезисторы?
9. Перечислите основные характеристики фоторезистора.
Что такое фоторезистор?
Остановимся более подробно на описании полупроводникового фоторезистора. Для начала дадим ему определение.
Фоторезистор — это полупроводниковый прибор (датчик), который при облучении светом изменяет (уменьшает) свое внутреннее сопротивление.
В отличие от фотоэлементов других типов (фотодиодов и фототранзисторов) данный прибор не имеет p-n перехода. Это значит, что фоторезистор может проводить ток независимо от его направления и может работать не только в цепях постоянного тока, где присутствует постоянное напряжение, но и с переменными токами.
Устройство
Конструкция разных моделей фоторезисторов может отличаться по форме материалу корпуса. Но в основе каждого такого прибора лежит подложка, чаще всего керамическая, покрытая слоем полупроводникового материала. Поверх этого полупроводника наносятся змейкой тонкий слой золота, платины или другого коррозиестойкого металла. (см. рис. 1). Слои наносятся методом напыления.
Напиленные слои соединяют с электродами, на которые поступает электрический ток. Всю эту конструкцию часто покрывают прозрачным пластиком и помещают в корпус с окошком для попадания световых лучей (см. рис. 2).
Форма корпуса, его размеры и материал зависит от модели фоторезистора, определяемой технологией производителя. Примеры моделей показаны на рисунках 3 и 4.
Сегодня в продаже можно увидеть детали в металлическом корпусе, часто в пластике или модели открытого типа. Некоторые модели изготавливают без метода напыления, а вырезают тонкий резистивный слой непосредственно из полупроводника. Существуют также технологии изготовления пленочных фотодатчиков (см. рис. 5).
Для напыления слоя полупроводника используют различные фоторезистивные материалы. Для фиксации видимого спектра света применяют селенид кадмия и сульфид кадмия.
Более широкий спектр материалов восприимчив к инфракрасному излучению:
- германий чистый либо легированный примесями золота, меди, цинка;
- кремний;
- сульфид свинца и другие химические соединения на его основе;
- антимонид или арсенид индия;
- прочие химические соединения чувствительные к инфракрасным лучам.
Чистый германий или кремний применяют при изготовлении фоторезисторов с внутренним фотоэффектом, а вещества легированные примесями – для конструкций с внешним фотоэффектом. Независимо от вида применяемого фоторезистивного материала, оба типа фоторезисторов обладают одинаковыми свойствами – обратной, нелинейной зависимостью сопротивления от силы светового потока.
1.3. Основные характеристики и параметры
Вольт-амперные характеристики фоторезистора представляют собой зависимости тока через фоторезистор от приложенного к его выводам напряжения при различных значениях светового потока (рис. 5.2).
Рис. 5.3. Энергетическая характеристика фоторезистора
В темноте проводимость фоторезистора обусловлена наличием свободных носителей зарядов – электронов и дырок, образовавшихся в результате теплового возбуждения. Ток через фоторезистор при некотором рабочем напряжении и Ф = 0 называется темповым током ( ), а ток при Ф > 0 – световым током ( ). Разность этих токов равна фототоку:
В рабочем диапазоне напряжения ВАХ фоторезисторов при различных значениях светового потока практически линейны. При больших напряжениях на фоторезисторе ВАХ опять может отклоняться от линейной, становясь нелинейной. Нелинейность связана с повышением температуры всего фоточувствительного слоя из-за большой выделяющейся мощности.
Энергетическая характеристика фототока (рис. 5.3) – зависимость фототока от светового потока – линейна в области небольших значений Ф. При увеличении Ф рост фототока замедляется, так как с увеличением концентрации свободных носителей заряда возрастает вероятность их рекомбинации через ловушки и, следовательно, уменьшается время жизни ( ). Второй причиной, приводящей к нелинейности энергетической характеристики фоторезистора, является уменьшение подвижности носителей заряда при увеличении освещенности из-за увеличения концентрации ионизированных атомов в полупроводнике и, следовательно, из-за увеличения рассеяния носителей заряда ионизированными атомами.
Энергетическую характеристику иногда называют люкс-амперной, откладывая при этом по оси абсцисс не световой поток, а освещенность в люксах.
В узком диапазоне освещенностей для аппроксимации световой характеристики часто используют зависимость:
где А и х – коэффициенты, являющиеся постоянными для данного фоторезистора в выбранном диапазоне освещенностей; Е – освещенность.
Спектральная характеристика фоторезистора – это зависимость фототока от длины волны падающего на фоторезистор света (рис. 5.4). По вертикальной оси отложено относительное значение фототока:
Рис. 5.4. Относительные характеристики спектральной чувствительности
фоторезисторов на основе собственной (а) и примесной (б) фотопроводимостей: 1 – CdSe; 2 – PbS; 3 – PbSe; 4 – InSb (T = 77 К); 5 – PbSe (77K);
6 – Ge(Au) (60 К); 7 – Ge(Cd) (23 К); 8 – Ge(Cu) (15 К); 9 – Ge(Zn) (4 К)
При больших длинах волн, т.е. при малых энергиях квантов света по сравнению с шириной запрещенной зоны полупроводника, энергия кванта оказывается недостаточной для переброса электрона из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому для каждого полупроводника и соответственно для каждого фоторезистора существует пороговая длина волны (наибольшая), которую обычно определяют как длину волны, соответствующую спаду фототока на 50 % со стороны больших длин волн.
При малых длинах волн с уменьшением длины волны падающего на фоторезистор света растет показатель поглощения. Поэтому глубина проникновения квантов света в полупроводник уменьшается, т.е. основная часть неравновесных носителей заряда возникает вблизи освещаемой поверхности фоточувствительного слоя. При этом увеличивается роль поверхностной рекомбинации и уменьшается среднее время жизни неравновесных носителей. Таким образом, спектральная характеристика имеет спад и при малых длинах волн.
Различные полупроводники имеют ширину запрещенной зоны от десятых долей до 3 эВ. Поэтому максимум спектральной ха
§17.4. Фоторезисторы
Фоторезисторы — приборы , принцип действия которых основан на фоторезистивном эффекте — изменении сопротивления полупроводникового материала под действием электромагнитного излучения . Рис . 17.6. Устройство ( а ) и схема включения фоторезистора ( б ) Устройство фоторезистора показано на рис . 17.6, а . Пленка 2 из полупроводникового материала ( сульфид свинца , соединения сернистого кадмия , висмут и т . д .) закреплена на диэлектрической подложке 3 ( стекло , кварц , керамика ). Световой поток Ф попадает на полупроводник через специальное отверстие в пластмассовом корпусе . Электроды 1 , выполненные из благородных материалов ( золото , платина ), обеспечивает хороший контакт с полупроводником и не подвержены коррозии . Поверхность полупроводника покрыта защитным слоем прозрачного лака . В схеме ( рис . 17.6, б ) при отсутствии светового потока по цепи проходит так называемый темновой ток , обусловленный собственной проводимостью полупроводника . Этот ток весьма мал , и его значение определяется темновым сопротивлением R т , имеющим широкий диапазон значений : 10 2 —10 10 Ом . Наибольшее значение R т имеют фоторезисторы , выполненные из сернистого кадмия . При освещении фоторезистора в нем возникают дополнительные свободные электрические заряды — электроны и дырки , в результате чего ток в цепи возрастает . Разность между световым током I св и темновым токами называется фототоком :
I ф = I св — I т Зависимость фототока I ф от лучистого потока Ф иллюстрируется энергетической характеристикой ( рис . 17.7). Нелинейность этой характеристики является недостатком фоторезисторов .
| Рис . 17.7. Электрическая схема фоторезистора | Рис . 17.8. Спектральная характеристика фоторезистора , |
| выполненного из сульфида кадмия |
Значения фототока сильно зависят от спектрального состава светового потока . Эта зависимость видна из спектральной характеристики , вид которой для фоторезистора , выполненного из сульфида кадмия , приведен на рис . 17.8 ( где I ф max — фототок , соответствующий максимуму спектральной чувствительности ). Интегральная чувствительность фоторезисторов на два порядка выше , чем электронных фотоэлементов . Важным параметром фоторезисторов является пороговый световой поток Ф п — минимальный поток излучения , который вызывает появление в цепи фоторезистора электрического напряжения , превышающего в 2—3 раза шумовое напряжение . Существенным недостатком фоторезистора является их большая инерционность , обусловленная значительным временем генерации и рекомбинации электронов и дырок при изменении освещенности фоторезистора . Фоторезисторы обозначают буквами ФС или СФ , затем следует буква и цифра , которые определяют состав и конструктивное оформление : А — РЬ ; К —CdS, Г — герметизированный ‘ корпус . Например , ФСК — Г 1 обозначает фоторезистор из сернистого кадмия в герметизированном корпусе . Фоторезисторы широко применяются в автоматике , вычислительной технике и промышленной электронике . В частности , фоторезисторы используют для сортировки изделий по их окраске , размерам или каким — нибудь другим признакам .
Карточка № 17.4 (346). Фоторезисторы
| Какими | свободными | носителями | зарядов | Электронами | 83 | ||
| обусловлен ток в обычном резисторе ? | |||||||
| Дырками | 43 | ||||||
| И электронами , и дырками | 73 | ||||||
| Какими | свободными | носителями | зарядов | Дырками | 35 | ||
| обусловлен ток в фоторезисторе ? | |||||||
| Электронами | 11 | ||||||
| И электронами , и дырками | 25 | ||||||
| Обладает ли полупроводниковый фоторезистор | Да | 8 | |||||
| односторонней проводимостью ? | |||||||
| Нет | 80 | ||||||
| Это зависит от материала , из которого он | 62 | ||||||
| изготовлен | |||||||
| Как изменится напряжение на нагрузке U н и на | U н увеличится , U ф уменьшится | 90 | |||||
| фоторезисторе ( см . рис . 4.6, б ) при увеличении | |||||||
| U ф увеличится , U н уменьшится | 47 | ||||||
| светового потока Ф ? | |||||||
| U ф уменьшится , U н не изменится | 53 | ||||||
| U ф увеличится , U н не изменится | 21 | ||||||
| При каких | значениях | светового | потока | При малых | 68 | ||
| фоторезистор | обладает | максимальной | |||||
| При больших | 33 | ||||||
| чувствительностью ? | |||||||
| Чувствительность не зависит от светового | 58 | ||||||
| потока | |||||||
§ 17.5. Фотодиоды
Фотодиод представляет собой полупроводниковый диод , обратный ток которого зависит от освещенности р -n — перехода . Фотодиоды могут работать в двух режимах : в режиме фотогенератора ( фотоэлемента ) без внешнего источника питания и в режиме фотопреобразователя с внешним источником . В режиме фотогенератора используется фотогальванический эффект , суть которого зключается в создании разности потенциалов на зажимах неоднородного полупроводника при его освещении . Фотодиоды образованы двумя примесными полупроводниками с различными типами электропроводности . Конструктивно фотодиоды выполнены так , что световой поток падает на плоскость р -n — перехода под прямым углом ( рис . 17.9, а ). При отсутствии светового потока в области р -n — перехода существует потенциальный барьер с напряжением U к ( контактная разность потенциалов ), обусловленный взаимной диффузией электронов в область р — типа и дырок в область n — типа . При освещении р -n — перехода фотоны , попавшие на полупроводники , образуют пары свободных зарядов электрон — дырка . В результате в областях р — и n — типов увеличивается концентрация свободных электронов и дырок соответственно . Под действием электрического поля , обусловленного контактной разностью потенциалов U к ( рис . 17.9, а ), неосновные носители р — области — электроны — переходят в n — область , а неосновные носители р — области — дырки — в р — область . В результате этого процесса в n — области возникает избыток электронов , а в р — области — избыток дырок . Таким образом , на зажимах фотодиода возникает фото — ЭДС E ф , равная контактной разности потенциалов и имеющая значение около 1 В . При замыкании освещенного фотодиода на внешнюю нагрузку R н ( рис . 17.9, б ) в цепи возникает ток I , обусловленный движением неосновных носителей зарядов . Следовательно , в данной схеме происходит преобразование лучистой энергии в электрическую . Фотодиоды , работающие в генераторном режиме , довольно широко используют в качестве источников , преобразующих солнечную энергию . Такие источники именуют фотоэлементами или солнечными элементами . Из них строят солнечные батареи , которые используют на космических объектах в качестве электростанций . Фотоэлементы отличаются от фотодиодов только своими конструктивными особенностями .
Рис . 17.9. Устройство ( а ) и схема включения ( б ) фотодиода в генераторном режиме Фотодиоды и фотоэлементы изготовляют из германия , кремния , селена , сернистого серебра , арсенида индия и т . д .
| Рис . 17.10. Схема включения фотодиода в | Рис . 17.11. Вольт — амперные характеристики фотодиода в |
| преобразовательном режиме | преобразовательном режиме |
В режиме фотопреобразователя в цепь последовательно с нагрузкой включают источник напряжения в запирающем направлении ( рис . 17.10). Когда фотодиод не освещен , в цепи проходит темновой ток . При освещении фотодиода происходит генерация электронов и дырок . Под действием электрического поля источника Е а неосновные носители слоев р — и n- типов полупроводника создают в цепи ток , значение которого практически определяется только световым потоком Ф и равно приблизительно току короткого замыкания в генераторном режиме . Поэтому чувствительность фотодиодов в обоих режимах принято считать одинаковой . Для германиевых фотодиодов интегральная чувствительность достигает 20 мА / лм . Более точно ток можно определить по вольт — амперным характеристикам ( рис . 17.11) графическим способом . Фотодиоды широко применяются в промышленности : в вычислительной технике , регистрирующих и измерительных приборах фотометрии , в киноаппаратуре , системах автоматизации производственных процессов и т . д . Фотодиоды обозначают буквами ФД , затем следуют буквы , обозначающие материал , из которого изготовлен прибор . Например , ФД — ГЗ -001 означает : фотодиод германиевый , легированный золотом , номер разработки 001.
Освещении полупроводника
При освещении фоторезистора ток в цепи существенно возрастает за счет увеличения концентрации свободных носителей заряда. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют световым током или фототоком.
При освещении фоторезистора его сопротивление резко уменьшается, потенциал базы становится более положительным, транзистор TI закрывается; потенциал базы транзистора Т2 становится отрицательным относительно потенциала эмиттера и транзистор Т2 открывается. Электромагнитное реле Р, включенное в коллекторную цепь транзистора Т2, срабатывает и замыкает либо размыкает своими контактами цепь сигнализации или управления, фиксируя достижение определенного значения контролируемого светового потока.
освещении фоторезистора светом сложного спектрального соста-.ва. Удельную интегральную чувствительность принято измерять при освещенности 200 лк источником света с цветовой температурой 2850 К;
При освещении фоторезистора в нем возникают дополнительные свободные электрические заряды — электроны и дырки, в результате чего ток в цепи возрастает.
При подключении фоторезистора к источнику питания в электрической цепи проходит небольшой ток /т, называемый темповым. При освещении фоторезистора ток в цепи возрастает за счет фототока, обусловленного внутренним фотоэффектом. Вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость фототока от приложенного напряжения при постоянном световом потоке Ф, практически линейна ( 17.23). Параметры фоторезисторов, как и других полупроводниковых приборов, существенно зависят от температуры.
Чувствительность называют интегральной, потому что измеряют ее при освещении фоторезистора светом сложного спектраль-
При освещении фоторезистора энергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток
Фотосопротивлением или фоторезистором называется прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием падающего на него излучения. Поглощение лучистой энергии полупроводником при освещении фоторезистора вызывает ионизацию атомов и, следовательно, увеличение числа свободных носителей заряда, что и приводит к уменьшению его сопротивления.
Через неосвещенный фоторезистор проходит малый ток, называемый «темновым». При освещении фоторезистора через него идет «световой» ток, который увеличивается с увеличением светового потока (освещенности). Разность между световым и темновым током называется фототоком.
При подключении фоторезистора к источнику питания в электрической цепи проходит небольшой ток 1Т, называемый темновым. При освещении фоторезистора ток в цепи возрастает за счет фототока, обусловленного внутренним фотоэффектом. Вольт-амперная характеристика, т. е. зависимость фототока от приложенного напряжения при постоянном световом потоке Ф , практически линейна ( 1.47). Параметры фоторезисторов, как и других полупроводниковых приборов, существенно зависят от температуры.
При освещении фоторезистора его сопротивление падает, что приводит к появлению плюсового потенциала на базе транзистора T-i, и транзистор закрывается, _а потенциал на его коллекторе уменьшается. Это приводит к перераспределению потенциала на базе транзистора Гз и транзистор открывается, открывая выходной транзистор Т^.
В фотогенераторном режиме ( 2.7, б) при разомкнутом ключе К и отсутствии освещения (Ф = 0) диффузионная и дрейфовая составляющие токов р-тг-пере-хода уравновешиваются и ток через р-л-переход равен нулю. При освещении полупроводника в области р-/г-пе-рехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного заряда р-л-перехода с разностью потенциалов фк (см. § 1.3) «разделяет» эти пары: дырки дрейфуют в р-область, а электроны — в «-область, т. е. происходит перемещение дополнительно возникших неосновных носителей заряда. Возникновение дополнительного числа неосновных носителей заряда приводит
Приборы, в которых под действием света меняется электропроводность, называют фоторезисторами. В качестве материала для фоторезисторов применяют селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый висмут, сернистый кадмий и другие полупроводники. При освещении полупроводника увеличивается число электронов, переходящих в зону проводимости и, следовательно, увеличивается его электропроводность.
При освещении полупроводника кванты света взаимодействуют с электронами. Если энергия квантов превышает ширину запрещенной зоны m n – подвижность электронов; m p – подвижность дырок; D ni – концентрация генерируемых электронов; D pi – концентрация генерируемых дырок.
Поскольку основным следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию:
h n кр ³ D W З или h n кр ³ D W ПР
где h – постоянная Планка; n кр – критическая частота электромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости), D W З.– ширина запрещенной зоны, D W ПР – энергия ионизации примеси.
Излучение с частотой n < nкр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения hn < D W З недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же hn > D W З, то избыточная относительно ширины запрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в виде кинетической энергии.
Критической частоте n кр соответствует граничная длина волны l гр:
где с — скорость света.
При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Так, для германия граничная длина волны составляет примерно 1,8 мкм. Однако спад фотопроводимости наблюдается и в области малых длин волн. Это объясняется быстрым увеличением поглощения энергии с частотой и уменьшением глубины проникновения падающей на полупроводник электромагнитной энергии. Поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где и образуется основное количество носителей заряда. Появление большого количества избыточных носителей только у поверхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника, так как скорость поверхностной рекомбинации больше объемной и проникающие вглубь не основные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.
Фотопроводимость полупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая, в свою очередь, зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля.
Рассмотренный механизм поглощения света, приводящий к появлению свободных носителей заряда в полупроводнике, называют фото активным. Поскольку при этом изменяется проводимость, а следовательно, внутреннее сопротивление полупроводника, указанное явление и было названо фоторезистивным эффектом.
При облучении фоторезистора фотонами в полупроводниковом фоточувствительном слое возникает избыточная концентрация носителей заряда. Если к фоторезистору приложено напряжение, то через него будет проходить дополнительная составляющая тока – фототок, обусловленный избыточной концентрацией носителей. Электронная составляющая фототока
где a — толщина полупроводникового фоточувствительного слоя; b – его ширина; l – расстояние между электродами; R – коэффициент отражения; α – показатель поглощения; η – квантовая эффективность генерации; N ф – число фотонов, падающих на единичную поверхность фоточувствительного слоя за единицу времени.
Фототок соответствует прохождению через фоторезистор и через внешнюю цепь I фn / q электронов. Число электронов, возникающих в объеме фоточувствительного слоя из-за поглощения фотонов, равно .
Отношение числа прошедших во внешней цепи электронов к числу возникших в фоточувствительном слое электронов называют коэффициентом усиления фоторезистора:
Произведение подвижности электронов на напряженность электрического поля есть скорость дрейфа электронов, которую можно также представить как расстояние между электродами, деленное на время пролета носителей между электродами t прол. Поэтому коэффициент усиления фоторезистора можно выразить и в таком виде: KI = τn/t прол.
Если в полупроводниковом фоточувствительном слое есть примеси, являющиеся ловушками захвата для неосновных носителей заряда (сенсибилизирующие примеси), то захват неосновных носителей этими ловушками может существенно (на несколько порядков) увеличить эффективное время жизни неравновесных основных носителей. В этом случае время жизни может значительно превышать время пролета носителей между электродами. Когда один из электродов достигает положительного электрода, другой электрон входит в полупроводниковый слой из отрицательного электрода для сохранения электрической нейтральности объема полупроводника, в котором осталась нескомпенсированная положительно заряженная ловушка захвата. Таким образом, поглощение одного фотона может случить причиной прохождения через фоторезистор многих электронов.
Введение сенсибилизирующих примесей, приводя к увеличению эффективного времени жизни основных носителей, вызывает снижение быстродействия фоторезистора.
Усиление фототока может происходить и при наличии потенциальных барьеров, например, на поверхности кристаллов полупроводника, если фоторезистор изготовлен на основе поликристаллического полупроводникового материала. Потенциальные барьеры могут являться потенциальными ямами для неосновных носителей заряда. В этом случае будет происходить усиление фототока в фоторезисторе по аналогии с усилением фототока в фототранзисторе
Какими свободными носителями зарядов обусловлен ток в фоторезисторе
Название или условие:
Каким свободными носителями зарядов обусловлен ток в фоторезисторе?
1. Дырками
2. Электронами и дырками
3. Протонами
4. Нейтронами
Выберите один ответ:
а. 4)
b. 1)
с. 3)
d. 2)
Описание:
Ответ на вопрос теста
Процесс покупки очень прост и состоит всего из пары действий:
1. После нажатия кнопки «Купить» вы перейдете на сайт платежной системы, где можете выбрать наиболее удобный для вас способ оплаты (банковские карты, электронные деньги, с баланса мобильного телефона, через банкоматы, терминалы, в салонах сотовой связи и множество других способов)
2. После успешной оплаты нажмите ссылку «Вернуться в магазин» и вы снова окажетесь на странице описания задачи, где вместо зеленой кнопки «Купить» будет синяя кнопка «Скачать»
3. Если вы оплатили, но по каким-то причинам не смогли скачать заказ (например, случайно закрылось окно), то просто сообщите нам на почту или в чате артикул задачи, способ и время оплаты и мы отправим вам файл. Условия доставки: Получение файла осуществляется самостоятельно по ссылке, которая генерируется после оплаты. В случае технических сбоев или ошибок мозно обратиться к администраторам в чате или на электронную почту и файл будет вам отправлен. Условия отказа от заказа: Отказаться возможно в слуычае несоответсвия поулченного файла его описанию на странице заказа. Возврат денежных средств осуществляется администраторами сайта по заявке в чате или на электронной почте в течении суток.
