Зміст

| | Вступ | 2 |
| 1. | Літературний огляд | 2 |
| 1.1. | Оптичні та фотоелектричні явища в напівпровідниках | 2 |
| 1.2. | Фотопровідність. Фоторезістівний ефект | 2 |
| | | |
| 2. | Основна частина | 4 |
| 2.1. | Фоторезистори | 4 |
| 2.1.1. | Конструкція і схема включення фоторезистори. Темнової і | 4 |
| | Світловий струм | |
| | Характеристики фоторезисторів | 5 |
| 2.1.2. | Параметри фоторезисторів | 5 |
| | Виготовлення фоторезисторів | 7 |
| 2.1.3. | Застосування фоторезисторів | 7 |
| | Реєстрація оптичного випромінювання | 7 |
| 2.2. | Напівпровідниковий фотодетектора | 7 |
| 2.3. | | |
| 2.3.1. | Висновок | 8 |
| | Література | 9 |
| 2.3.2. | Програми | 10 |
| | | |
| | | |

Введення

Оптичні та фотоелектричні явища в напівпровідниках

У сучасній електронній техніці широко використовуються напівпровідниковіприлади, засновані на принципах фотоелектричного і електрооптичнихперетворення сигналів. Перший з цих принципів обумовлений зміноюелектрофізичних властивостей речовини в результаті поглинання в ньому світловийенергії (квантів світла). При цьому змінюється провідність речовини абовиникає е.. р. с., що призводить до змін струму в ланцюзі, в якувключений фоточутливий елемент. Другий принцип пов'язаний з генерацієювипромінювання в речовині, обумовленої доданим до нього напругою іпротікає через світловипромінювальних елемент струмом. Зазначені принципискладають наукову основу оптоелектроніки - нового науково-технічногонапрямку, в якому для передачі, обробки та зберігання інформаціївикористовуються як електричні, так і оптичні засоби і методи.

Усе різноманіття оптичних та фотоелектричних явищ унапівпровідниках можна звести до наступних основних:

- поглинання світла і фотопровідність;

- фотоефект в pn переході;

- електролюмінесценція;

- стимульоване когерентне випромінювання.

Фотопровідність. Фоторезістівний ефект

явищем фотопровідності називається збільшення електропровідностінапівпровідника під впливом електромагнітного випромінювання.

При освітленні напівпровідника в ньому відбувається генерація електронно -доручених пар за рахунок перекидання електронів з валентної зони в зонупровідності. Внаслідок цього провідність напівпровідника зростає навеличину

((= e ((n (ni + (p (pi), (1)

де e - заряд електрона; (n - рухливість електронів; (p - рухливістьдірок; (ni - концентрація генеруються електронів; (pi - концентраціягенеруються дірок.

Оскільки основним наслідком поглинання енергії світла в напівпровідникує переведення електронів з валентної зони в зону провідності, тобтомеждузонний перехід, то енергія кванта світла фотона повинна задовольнятиумові

h (кр ((W, (2)

де h - постійна Планка; (W - ширина забороненої зони напівпровідника;
(кр - критична частота електромагнітного випромінювання (червона межафотопровідності).

Випромінювання з частотою (<(кр не може викликати фотопровідність, тому щоенергія кванта такого випромінювання h (<(W недостатня для перекладу електроназ валентної зони в зону провідності. Якщо ж h (> (W, то надлишковащодо ширини забороненої зони частина енергії квантів передаєтьсяелектронам у вигляді кінетичної енергії.

Критичної частоті (кр відповідає гранична довжина хвилі

(гр = с/(кр, (3)

де с - швидкість світла (3 (108 м/с). При довжинах хвиль, великих граничної,фотопровідність різко падає. Так, для германію гранична довжина хвиліскладає приблизно 1.8 мкм. Однак спад фотопровідності спостерігається і вобласті малих довжин хвиль. Це пояснюється швидким збільшенням поглинанняенергії з частотою і зменшенням глибини проникнення падющей нанапівпровідник електромагнітної енергії. Поглинання відбувається в тонкомуповерхневому шарі, де і утворюється основна кількість носіїв заряду.
Поява великої кількості надлишкових носіїв тільки у поверхніслабо відбивається на провідності всього об'єму напівпровідника, тому щошвидкість поверхневої рекомбінації більше об'ємної та проникають всерединунеосновні носії заряду збільшують швидкість рекомбінації в обсязінапівпровідника.

Фотопровідність напівпровідників може виявлятися в інфрачервоній,видимої або ультрафіолетової частинах електромагнітного спектру в залежностівід ширини забороненої зони, яка, в свою чергу, залежить від типунапівпровідника, температури, концентрації домішок і напруженостіелектричного поля.

Розглянутий механізм поглинання світла, що приводить до появивільних носіїв заряду в напівпровіднику, називають фотоактівним.
Оскільки при цьому змінюється провідність, а отже, внутрішнєопір напівпровідника, вказане явище було названофоторезістівним ефектом. Основне застосування фоторезістівний ефектзнаходить у світлочутливих напівпровідникових приладах - фоторезистори,які широко використовуються в сучасній оптоелектроніці та фотоелектроннийавтоматики.

фоторезистори

Конструкція і схема включення фоторезистори. Темнової і світловий струм

Фоторезистор називають напівпровідникові прилади, провідністьяких змінюється під дією світла.

Конструкція монокристалічного і плівкового фоторезисторів показанана рис. 1, 2 додатки. Основним елементом фоторезистори є в першувипадку монокристалл, а в другому - тонка плівка напівпровідниковогоматеріалу.

Якщо Фоторезистор включений послідовно з джерелом напруги (рис.
3 програми) і не освітлений, то в його ланцюзі буде протікати темнової ток

IТ = E/(Rт + Rн), (4)

де Е - е.. р. с. джерела живлення; Rт - величина електричногоопору фоторезистори в темряві, звана темнова опором;
Rн - опір навантаження.

При освітленні фоторезистори енергія фотонів витрачається на перекладелектронів в зону провідності. Кількість вільних електронно-дорученихпар зростає, опір фоторезистори падає і через нього течесвітловий струм

Iс = E/(RС + Rн). (5)

Різниця між світловим і темнова струмом дає значення струму Iф,що отримав назву первинного фотоструму провідності

Iф = Iс - IТ. (6)

Коли променистий потік малий, первинний фотоструму провідності практичнобезінерційна і змінюється прямо пропорційно величині променевого потоку,падаючого на фоторезисторів. В міру зростання величини променевого потокузбільшується число електронів провідності. Рухаючись усередині речовини,електрони зіштовхуються з атомами, іонізують їх і створюють додатковийпотік електричних зарядів, що отримав назву вторинної фотострумупровідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рухелектронів провідності. У результаті цієї зміни фотоструму запізнюютьсяв часі щодо змін світлового потоку, що визначаєдеяку інерційність фоторезистори.

Характеристики фоторезисторів

Основними характеристиками фоторезисторів є:

вольтамперних, що характеризує залежність фотоструму (при постійномусвітловому потоці Ф) або темнового струму від прикладеної напруги. Дляфоторезисторів ця залежність практично лінійна (мал. 4 додатку).
Закон Ома порушується в більшості випадків тільки при високих напругахна фоторезистори.

Світлова (люксамперная), яка характеризує залежність фотоструму відпадаючого світлового потоку постійного спектрального складу.
Напівпровідникові фотрезістори мають нелінійну люксамперную характеристику
(рис. 5 додатка). Найбільша чутливість виходить при малихосвітленості. Це дозволяє використовувати фоторезистори для вимірювання дужемалих інтенсивностей випромінювання. При збільшенні освітленості світловий струмзростає приблизно пропорційно кореню квадратному з освітленості. Нахиллюксамперной характеристики залежить від прикладеної до фоторезисторинапруги.

Спектральна, що характеризує чутливість фоторезистори придії на нього потоку випромінювання постійної потужності певної довжинихвилі. Спектральна характеристика визначається матеріалом, використовуванимдля виготовлення світлочутливого елементу. Сірчистої-кадмієвіфоторезистори мають високу чутливість у видимій області спектру,селенистий-кадмієві - у червоній, а сірчистої-свинцеві - в інфрачервоній
(рис. 6 додатка).

Частотна, що характеризує чутливість фоторезистори при діїна нього світлового потоку, що змінюється з певною частотою. Наявністьінерційності у фоторезисторів призводить до того, що величина їх фотострумузалежить від частоти модуляції світла, яке на них світлового потоку - ззбільшенням частоти світлового потоку фотоструму зменшується (рис. 7додатки). Інерційність оганічівает можливості застосуванняфоторезисторів при роботі зі змінними світловими потоками високої частоти.

Параметри фоторезисторів

Основні параметри фоторезисторів:

Робоча напруга Uр - постійна напруга, прикладена дофоторезистори, при якому забезпечуються номінальні параметри притривалої його роботі в заданих експлуатаційних умовах (як правило, від
1 до 1000 в).

Максимально допустима напруга фоторезистори Umax - максимальнезначення постійної напруги, прикладеної до фоторезистори, при якомувідхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує зазначенихмеж при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах.

темнової опір Rт - опір фоторезистори під час відсутностіпадаючого на нього випромінювання в діапазоні його спектральної чутливості
(варіює у звичайних приладах від 1000 до 100000000 ом).

Світлове опір RС - опір фоторезистори, вимірянийчерез певний інтервал часу після початку впливу випромінювання,що створює на ньому освітленість заданого значення.

Кратність зміни опору KR - відношення темновогоопору фоторезистори до опору при певному рівніосвітленості (світловому опору).

Допустима потужність розсіювання - потужність, при якій не наступаєнезворотних змін параметрів фоторезистори в процесі його експлуатації.

Загальний струм фоторезистори - струм, що складається з темнового струму і фотоструму.

фотоструму - струм, що протікає через Фоторезистор при зазначеній напрузіна ньому, обумовлений тільки впливом потоку випромінювання із заданимспектральним розподілом.

Питома чутливість - відношення фотоструму до твору величинипадаючого на Фоторезистор світлового потоку на прикладена до ньогонапруга, мкА/(лм (В)

К0 = Iф/(ФU), (7)

де Iф - фотоструму, що дорівнює різниці струмів, що протікають по фоторезистори втемряві і при певній (200 лк) освітленості, мкА; Ф - падаючийсвітловий потік, лм; U - напруга, прикладена до фоторезистори, В.

Інтегральна чутливість - добуток питомої чутливостіна граничне робоча напруга Sінт = К0Umax.

Постійна часу (ф - час, протягом якого фотоструму змінюється на
63%, тобто в e раз. Постійна часу характеризує інерційністьприладу і впливає на вигляд його частотної характеристики.

При включенні і виключенні світла фотоструму зростає до максимуму (рис.
8 додатка) і спадає до мінімуму не миттєво. Характер і тривалістькривих наростання і спаду фотоструму в часі суттєво залежать відмеханізму рекомбінації нерівноважних носіїв у даному матеріалі, а такожвід величини інтенсивності світла. При малому рівні інжекції наростання іспад фотоструму в часі можна представити експонентами з постійноючасу (, рівний часу життя носіїв у напівпровіднику. У цьому випадкупри включенні світла фотоструму iф буде наростати і спадати в часі ззакону

iф = Iф (1 - e - t/(); iф = Iф e - t/(,

(8)

де Iф -- стаціонарне значення фотоструму при освітленні.

За кривим спаду фотоструму в часі можна визначити час життя (нерівноважних носіїв.

Виготовлення фоторезисторів

Як матеріали для фоторезисторів широко використовуються сульфіди,селенідом і теллуріди різних елементів, а також з'єднання типу AIIIBV. Уінфрачервоної області можуть бути використані фоторезистори на основі PbS,
PbSe, PbTe, InSb, в області видимого світла і ближнього ультрафіолету - CdS.

Застосування фоторезисторів

В останні роки фоторезистори широко застосовуються в багатьох галузяхнауки і техніки. Це пояснюється їх високою чутливістю, простотоюконструкції, малими габаритами і значною допустимої потужністюрозсіювання. Значний інтерес представляє використання фоторезисторів воптоелектроніці.

Реєстрація оптичного випромінювання

Для реєстрації оптичного випромінювання його світлову енергію зазвичайперетворять в електричний сигнал, який потім вимірюють звичайнимспособом. При цьому перетворенні зазвичай використовують такі фізичніявища:

- генерацію рухомих носіїв у твердотільних фотопровіднийдетекторах;

- зміна температури термопар при поглинанні випромінювання, що приводить дозміни термо-е. р. с.;

- емісію вільних електронів в результаті фотоелектричного ефектуз фоточутливих плівок.

Найбільш важливими типами оптичних детекторів є наступніпристрої:

- фотопомножувач;

- напівпровідниковий Фоторезистор;

- фотодіод;

- лавинний фотодіод.

Напівпровідниковий фотодетектора

Схема напівпровідникового фотодетектора наведена на рис. 9 додатка.
Напівпровідниковий кристал послідовно з'єднаний з резистором R іджерелом постійної напруги V. Оптична хвиля, яку потрібнозареєструвати, падає на кристал і поглинається їм, порушуючи при цьомуелектрони в зону провідності (або в напівпровідниках p-типу - дірки ввалентну зону). Таке порушення призводить до зменшення опору Rdнапівпровідникового кристала і, отже, до збільшення падіннянапруги на опорі R, яке при (Rd/Rd> ND, більшість атомів-акцепторівзалишається незарядженим.

Падаючий фотон поглинається і переводить електрон з валентної зони нарівень атома-акцептора, як це показано на рис. 10 додатки (процес
А). Виникає при цьому дірка рухається під дією електричного поля,що приводить до появи електричного струму. Як тільки електрон закцепторній рівня повертається назад в валентну зону, знищуючи тимсамим дірку (процес B), струм зникає. Цей процес називається електронно -доречний рекомбінацією або захопленням дірки атомом акцептора.

Вибираючи домішки з меншою енергією іонізації, можна виявити фотони збільш низькою енергією. Існуючі напівпровідникові фотодетектори зазвичайпрацюють на довжині хвилі аж до ((32 мкм.

Зі сказаного випливає, що головною перевагою напівпровідниковихфотодетекторів в порівнянні з фотопомножувач є їхня здатністьреєструвати довгохвильове випромінювання, оскільки створення рухливихносіїв у них не пов'язане з подоланням значного поверхневогопотенційного бар'єру. Недоліком ж їх є невелике посилення потоку. Крім того, для того щоб фотовозбужденіе носіїв не маскувалосятепловим збудженням, напівпровідникові фотодетектори доводитьсяохолоджувати.

Висновок

У цій роботі ми розглянули пристрій, принцип дії таосновні властивості напівпровідникових фоторезисторів, а також принципдії побудованих на їх основі фотодетекторів.

Список літератури

1 (Гершунскій Б. С. Основи електроніки та мікроелектроніки. - К.: Вищашкола. 1989. - 423 с.

2 (Практикум з напівпровідників і напівпровідникових приладів; під ред.
К. В. Шалімова. - М.: Вища школа. 1968. - 464 с.

3 (Федотов Я. А. Основи фізики напівпровідникових приладів. - М.:
Радянське радіо. 1970. - 591 с.

4 (Yariv A. Introduction To Optical Electronics. - М.: Вища школа.
1983. - 400 с.

5 (Kittel C. Introduction To Solid State Physics, 3d Ed. - New York:
Wiley, 1967. - P. 38.

6 (Kittel C. Elementary Solid State Physics. - New York - London:
Wiley, 1962.

Додаток