Файл: 000810.pdf

На рис.8.7 показаний також характер наростання фотопровідності напівпровідника після ввімкнення світлового імпульсу (крива ОВ), описуючого таким рівнянням:

координат, відсікає на прямий АВ відрізок, чисельно рівний t .

Слід вказати, що в полікристалічних фоторезисторах чутливість визначається часто процесами на межах монокристалічних зерен, а не процесами в об'ємі напівпровідника; в цьому випадку співвідношення (8.17) не застосовне.

Електрографія. Внутрішній фотоефект в напівпровідниках широко використовується в електричній фотографії або електрографії, сутність якої полягає в такому.

На аркуш паперу наноситься тонкий шар високоомного напівпровідника (звичайно ZnO ). Перед фотографуванням плівка за допомогою газового розряду заряджається негативно. При проектуванні на такий папір зображення поверхневий заряд з сильно освітлених частин стікає значно швидше, ніж із слабо освітлених, внаслідок чого після експозиції на папері виникає електричне зображення об'єкта. Для проявлення електричного зображення папір обдувають слабким потоком заряджених частинок спеціальної сухої фарби. Осідаючи в тих місцях паперу, де зберігся негативний заряд, ці частинки проявляють зображення. Для фіксації зображення папір нагрівають до температури, при якій частинки фарби розплавляються і міцно закріплюються на папері.

Кристалічні лічильники. Крім світла, внутрішній фотоефект може бути викликаний опромінюванням напівпровідника потоком частинок – електронів, іонів, a -частинок і ін. Такі частинки, проникаючи в глибину напівпровідника, генерують на своєму шляху вільні носії заряду і тим самим підвищують його електропровідність, а при незмінній напрузі, прикладеній до напівпровідника, збільшують силу струму в колі. Оскільки число носіїв, що генерується, пропорційне числу таких частинок, падаючих на напівпровідник, то за зміною сили струму в колі можна судити про число частинок, що потрапляють в напівпровідниковий кристал. Це дозволяє конструювати на даному принципі кристалічні лічильники частинок. Звичайно їх градуюють не в одиницях сили струму, а безпосередньо в числах частинок. Для збільшення чутливості лічильника зміна сили струму в кристалі посилюється за допомогою спеціальних радіотехнічних схем.

Екситони. Як вже вказувалося, при збудженні власної фотопровідності електрони з валентної зони перекидаються в зону провідності і стають вільними. Проте можливий і інший перебіг процесу,

106

коли збуджений електрон не розриває зв'язку з діркою, що виникає у валентній зоні, а утворює з нею єдину зв'язану систему. Така система була вперше розглянута Я. И. Френкелем і названа ним екситоном. Екситон схожий з атомом гідрогену: в обох випадках біля одиничного позитивного заряду рухається електрон і енергетичний спектр є дискретним (рис.8.8). Рівні енергії екситона розташовуються біля дна зони провідності. Оскільки екситони є електрично нейтральними системами, то виникнення їх в напівпровіднику не призводить до появи додаткових носіїв заряду, внаслідок чого поглинання світла не супроводжується збільшенням провідності напівпровідника. При зіткненні ж з фононами, домішковими атомами і іншими дефектами граток екситони або рекомбінують, або «розриваються». В першому випадку збуджені атоми переходять в нормальний стан, а енергія збудження передається граткам або випромінюється у вигляді квантів світла; в другому випадку утворюється пара носіїв – електрон і дірка, які обусловлюють зростання електропровідності напівпровідника.

8.3 Фотоелектричні явища в р-п-переході

При освітленні р-n-переходу або прилеглої до нього області світлом, здатним викликати генерацію електронно-діркових пар, на контактах розімкненого переходу виникає е.р.с., названа фотоерс, а якщо

контакти замкнуті, то через перехід протікає струм Iф , названий

первинним фотострумом. Цей ефект називають фотогальванічним ефектом або вентильним фотоефектом. Розглянемо його фізичну природу.

На рис. 8.9, а показаний діод, р-область якого освітлюється світловим потоком потужністю W0 , що викликає генерацію в цій області

електронно-діркових пар. Число таких пар G , що щомиті з'являються в р- області, визначається співвідношенням (8.13). Оскільки поглинання відбувається в власній області, то світло поглинається вже у вузькому шарі біля поверхні, від якої носії дифундують сумісно углиб напівпровідника. Якщо р-n-перехід розташований на глибині w=L, де L – дифузійна довжина, то значна частина носіїв дійде до області об'ємного заряду переходу. Електрони, що підійшли до р-n-переходу, підхоплюються контактним полем ek, направленим від n- до р-області, і перекидаються в n- область, заряджаючи її негативно (рис.8.9,б).

107

Рисунок 8.9 – Фотоприймач з р-n-переходом: а – діод, р-область якого опромінюється світлом; б – зонна діаграма р-n-переходу діода, що показує виникнення фотоерс; в – вольт-амперна характеристика освітленого р-n- переходу при різних потужностях світлового потоку

де b – коефіцієнт збирання, рівний відносній частці нерівноважних носіїв, що доходять до р-n-переходу і не рекомбінують. Дірки, що підійшли до р-n-переходу, нездатні подолати потенціальний бар'єр j 0 і залишаються в р-області, заряджаючи її позитивно. Внаслідок цього на переході формується прямий зсув Vф , що викликає зниження

потенціального бар'єра до величини j 0 = - qVф і появи потоку основних носіїв. Якщо зовнішнє коло розімкнене, то Vф збільшуватиметься до тих пір, поки струм основних носіїв через р-n-перехід Is exp(qV / kT ) не

зрівняється з фотострумом Іф. Виникаюча при цьому різниця потенціалів Vф і буде фотоерс (рис.8.9, б).

Таким чином, в сталому стані через розімкнений р-n-перехід

При ввімкненні р-n-переходу на опір навантаження Rн , тільки частина носіїв, збуджених світлом, перекидається через р-n-перехід і

При короткому замиканні р-n-переходу практично всі носії, що генеруються світлом, надходять в зовнішнє коло, внаслідок чого Vфн= 0, а струм в колі, як випливає з (8.23), І Іф.

При поданні на освітлений р-n-перехід зовнішнього зсуву V через нього протікатиме темновий струм Is [exp(qV / kT )- 1] , як через звичайний

ВАХ освітленого р-n-переходу показані на рис. 8.9, в. Вони (ВАХ освітленого р-n-переходу) виходять зсувом неосвітленого діода вниз по осі

графічно за допомогою прямої навантаження V0 A (рис. 8.9, в).

Зміна сили струму в зовнішньому колі або напруги на опорі навантаження Rн при освітленні р-n-переходу використовується для

реєстрації і вимірювання потужності світлового випромінювання. Прилади, що використовують цей принцип, відіграють роль фотоприймачів.

Режим роботи діода, при якому на нього подається негативний зсув і він залишається негативним і при освітленні діода, називають фотодіодним. Якщо ж фотоприймач використовується без зовнішнього зсуву, то говорять про його роботу в режимі фотоелемента. Деякі р-n- переходи не можуть працювати при будь-якому істотному зворотному зсуві і використовуються тільки як фотоелементи (селенові, переходи на вузькозонних напівпровідниках і ін.).

109