Внутренний фотоэффект

Важной особенностью полупроводников является способность увеличивать электропроводность под действием света. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта или фотопроводимости.

Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием света происходит перераспределение электронов по энергетическим уровням. Носители тока, возникшие в результате освещения, называются неравновесными или избыточными. Увеличение числа свободных носителей заряда приводит к уменьшению сопротивления полупроводника. Bнyтpeннuй фoтoэффeкт нa6людaeтcя, ecлu энepгuя падающего на поверхность полупроводника фoтoнa дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнa из вaлeнтнoй зoны в зoнy npoвoдимocти. B примесных noлynpoвoдникax фoтoэффeкт o6нapyживaeтcя тaкжe в тoм cлyчae, ecли энeprия фотона дocтaтoчнa для nepe6poca элeктpoнoв в зoнy npoвoдимocти c дoнopныx npимecныx ypoвнeй или из вaлeнтнoй зoны на акцепторные уровни.

а	б
Рис. 3 Энергетические схемы переходов в примесных полупроводниках (  - электроны,   - дырки).

В этом случае под действием света с энергией кванта, превышающей энергию активации примеси E_а, электроны могут переходить с донорных уровней примеси в зону проводимости (рис.3.а) или из валентной зоны на акцепторные уровни примеси (рис. 3б). В первом случае возникает электронная проводимость, во втором - дырочная.

Кванты света с энергией меньшей, чем энергия активации примеси, не поглощаются электроном, поэтому как и для внешнего фотоэффекта существует некоторое граничное значение частоты  при которой начинает наблюдаться внутренний фотоэффект в примесных полупроводниках.

При воздействии излучения на объем полупроводника возникают свободные носители и, следовательно, изменяется проводимость полупроводника. Прибор, в котором используется это явление, называется фоторезистором (фотосопротивлением). Фотосопротивление представляет собой стеклянную пластинку, покрытую тонким слоем полупроводникового материала (сернистого свинца, сернистого висмута, сернистого кадмия), на котором расположены токопроводящие электроды (рис.4). Схема измерения параметров показана на рис.5.а.

Рис.4. конструкция фоторезиста.

а	б
Рис.5. Схема измерения параметров фоторезиста (а) и фотодиода (б).

Изменение проводимости в полупроводниках под воздействием света может быть очень большим. В некоторых материалах при переходе от темноты к интенсивному освещению сопротивление уменьшается в десятки раз и соответственно изменяется величина тока в цепи фотосопротивлений.

Число, показывающее, во сколько раз r_т (темновое сопротивление) больше r_c (при некоторой освещенности), называется кратностью изменения сопротивления.

Оно может иметь значение от 1,0 до 500. Чувствительность их оценивается в мка при напряжении 1В и составляет 500— 3000 мка/лм·в, следовательно, превышает чувствительность фото­элементов с внешним фотоэффектом. Поэтому в ряде устройств в настоящее время фотосопротивлениями заменены фотоэлементы с внешним фотоэффектом.

Недостатком фотосопротивлений является то, что при их освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время (инерционность фотоэлемента), то же относится к нелинейной зависимости фототока от силы света, т. е. фототок возра­стает медленнее, чем сила света, освещающая фотоэлемент. Кроме того, фототок зависит от температу­ры среды (1—3% на 10°С). Послед­нее обстоятельство затрудняет при­менение фотосопротивлений при больших изменениях температуры внешней среды.

При воздействии излучения на прибор с p-n переходом в нем также возникают носители, в связи с чем либо будет изменяться проводимость перехода, включенного в обратном направлении, либо будет происходить разделение носителей под действием диффузионного поля перехода и возникнет ЭДС.

Примерами таких приборов являются фотодиоды.

В фотодиодах на основе p-n – переходов используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода созданных оптическим излучением неосновных неравновесных носителей. Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристалл с электронно-дырочным переходом (р–n-переходом), снабженный 2 металлическими выводами (один от р-, другой от n-области) и вмонтированный в металлический или пластмассовый защитный корпус. Материалами, из которых выполняют фотодиоды, служат Ge, Si, GaAs, HgCdTe и др.

а	б
Рис. 6. Энергетические зоны фотодиода (а) и схема его включения (б)

Энергетические зоны фотодиода и схема его включения показаны на рис. 6.

Различают 2 режима работы фотодиода: фотодиодный, когда во внешней цепи фотодиода содержится источник постоянного тока, создающий на р–n-переходе обратное смещение, и вентильный, когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме фотодиод, как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Возникающие под действием излучения неосновные носители диффундируют через р–n-переход и ослабляют электрическое поле последнего. Фототок в фотодиоде в широких пределах линейно зависит от интенсивности падающего излучения и практически не зависит от напряжения смещения. В вентильном режиме фотодиод, как и полупроводниковый фотоэлемент, используют в качестве генератора фотоэдс.

Основные параметры фотодиода: 1) порог чувствительности (величина минимального сигнала, регистрируемого фотодиодом, отнесённая к единице полосы рабочих частот), достигает 10-14 Вт/Гц1/2; 2) уровень шумов – не свыше 10^-9 А; 3) область спектральной чувствительности лежит в пределах 0,3–15 мкм; 4) спектральная чувствительность (отношение фототока к потоку падающего монохроматического излучения с известной длиной волны) составляет 0,5–1 А/Вт; 5) инерционность (время установления фототока) порядка 10^-7–10^-8 сек.

В лавинном фотодиоде, представляющем собой разновидность фотодиодов с р–n-cтруктурой, для увеличения чувствительности используют так называемое лавинное умножение тока в р–n-переходе, основанное на ударной ионизации атомов в области перехода фотоэлектронами. При этом коэффициент лавинного умножения составляет 10²–10⁴. Существуют также фотодиоды с р–i–n-cтруктурой, близкие по своим характеристикам к фотодиодам с р–n-cтруктурой; по сравнению с последними они обладают значительно меньшей инерционностью (до 10^-10 сек).

Фототранзистор

Фотодиод напрямую преобразует фотоны в носители зарядов — один фотон образует одну пару электрон-дырка. При необходимости усиления получаемого фототока используются фототранзисторы, которые имеют не менее двух электронно-дырочных переходов. Фототранзисторы помимо фотоэлектрического преобразования выполняют функцию усиления тока, что значительно повышает чувствительность детектора. Переход коллектор-база является обратно смещенным диодом, работающим, как описано в предыдущем разделе. При включении транзистора в схему с источником питания (батареей), внутри контура, в состав которого входит переход база-эмиттер, начинает течь фотоиндуцированный ток. Усиление тока в фототранзисторе происходит также как в традиционном биполярном транзисторе. В результате этого коллекторный ток значительно возрастает.

На рис.7. показаны энергетические зоны фототранзистора. Фотоиндуцированный ток базы возвращается на коллектор через эмиттер и внешнюю часть схемы. При этом электроны, попадающие в базовую область со стороны эмиттера, выталкиваются электрическим полем в зону коллектора. Чувствительность фототранзистора определяется эффективностью работы перехода база-коллектор и коэффициентом усиления по постоянному току транзистора. Поэтому можно утверждать, что чувствительность является функцией коллекторного тока.

Рис. 7. Энергетические зоны и схема включения фототранзистора

Вольтамперные характеристики фототранзисторов (зависимости коллекторного тока от напряжения на коллекторе) имеют тот же вид, что и у обычных транзисторов. Поэтому для расчета схем с фототранзисторами можно применять традиционные методы разработки транзисторных цепей, за исключением того, что здесь база является входом для фотоиндуцированного тока, текущего со стороны коллектора. Фотоэлектрический процесс протекает, в основном, в зоне коллектор-база, поэтому, чем шире эта область, тем больше носителей зарядов будет образовано. Фототранзисторы бывают двух типов: с двумя и тремя выводами. В последнем случае фототранзистор может использоваться не только как фоточувствительный элемент, но и как обычный биполярный транзистор, что обеспечивает разработчику дополнительную гибкость при проектировании электронных цепей. Однако в качестве фотодатчиков чаще применяются фототранзисторы с двумя выводами.