În tehnologia electronică modernă, dispozitivele semiconductoare bazate pe principiile convertirii semnalelor fotoelectrice și electro-optice sunt utilizate pe scară largă. Primul dintre aceste principii se datorează unei modificări a proprietăților electrofizice ale unei substanțe ca rezultat al absorbției energiei luminoase (cuantele luminii) în ea. În acest caz, conductivitatea substanței se modifică sau e. etc cu. care conduce la modificări ale curentului în circuitul în care este încorporat elementul fotosensibil. Al doilea principiu este legat de generarea de radiații într-o substanță cauzată de tensiunea aplicată și care curge prin elementul emițător de lumină prin curent. Aceste principii constituie baza științifică a optoelectronicii - o nouă direcție științifică și tehnică, în care mijloacele și metodele electrice și optice sunt utilizate pentru transmiterea, procesarea și stocarea informațiilor.
Toată diversitatea fenomenelor optice și fotoelectrice din semiconductori poate fi redusă la următoarele elemente de bază:
- absorbția luminii și fotoconductivitatea;
- efectul fotoelectric în joncțiunea p-n;
Radiație coerentă stimulată.
Fotoconductie. Efect fotorezistent
Fenomenul fotoconductivității este creșterea conductivității electrice a unui semiconductor sub influența radiației electromagnetice.
Când semiconductorul este iluminat, perechile electron-hole sunt generate în el prin transferul de electroni de la banda de valență la banda de conducție. Ca o consecință, conductivitatea semiconductorilor crește cu o sumă
unde e este sarcina de electron; Mobilitatea electronilor; Mobilitatea p-gaură; Ni este concentrația de electroni generați; Pi este concentrația găurilor generate.
Deoarece principala consecință a absorbției energiei luminoase într-un semiconductor este transferul de electroni de la banda de valență la banda de conducție, adică tranziția interband, energia fotonului foton trebuie să satisfacă condiția
unde h este constanta lui Planck; W - lățimea benzii interzise a semiconductorului; Cr este frecvența critică a radiațiilor electromagnetice (limita roșie a fotoconductivității).
Radiații cu frecvență # 110; <nкр не может вызвать фотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения hn <DW недостаточна для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же hn> W, atunci o parte a energiei de quanta, care este redundantă în raport cu lățimea benzii interzise, este transferată la electroni sub forma energiei cinetice.
Frecventa critica Kr corespunde lungimii de undă a limitei
unde c - a vitezei luminii (3 * 10 8 m / s). La lungimi de undă mai mari decât limita, fotoconductie scade brusc. Astfel, germaniul limita de lungime de undă este de aproximativ 1,8 microni. Cu toate acestea, declinul fotoconductivitatii se observă la lungimi de undă mici. Acest lucru se datorează creșterii rapide a absorbției energiei cu frecvența și diminuarea adâncimii de penetrare în energia electromagnetică padyuschey semiconductor. Absorbția are loc într-un strat subțire de suprafață, și în care o cantitate mare de purtători de sarcină produse. Apariția unei mari cantități de purtători în exces la suprafață afectează numai slab conductivitatea tuturor volumului semiconductor, deoarece volumul viteza de recombinare de suprafață mai mare și penetrează adânc purtătorilor minoritari pentru a crește rata de recombinare în semiconductorul vrac.
Fotoconductivitatii de semiconductori pot fi detectate în regiunile în infraroșu, vizibil sau în ultraviolet ale spectrului electromagnetic în funcție de bandgap, care la rândul său depinde de tipul semiconductor, temperatura și concentrația de impurități a câmpului electric.
Mecanismul considerat de absorbție a luminii, care duce la apariția unor purtători de sarcină gratuit într-un semiconductor, se numește fotoactiv. Deoarece aceasta modifică conductivitatea și, în consecință, rezistența internă a semiconductorului, acest fenomen a fost numit efectul fotorezist. Cererea principală a fotorezistent este în dispozitive fotosensibile cu semiconductori cu efect - fotorezistoare, care sunt utilizate pe scară largă în optoelectronică moderne și de automatizare photoelectron.
Proiectarea și schema de includere a fotorezistorului. Lumină și curent luminos
Rezistoarele fotorezistente sunt dispozitive semiconductoare a căror conductivitate variază sub influența luminii.
Designul fotorezistoarelor cu cristale unice și de film este prezentat în Fig. 1, 2 aplicații. Elementul principal al fotorezistorului este în primul caz un singur cristal, iar în al doilea - un film subțire de material semiconductor.
Dacă fotorezistorul este conectat în serie cu sursa de tensiune (Figura 3 din anexă) și nu este iluminat, atunci circuitul său va scurge curentul întunecat
unde E este. etc cu. sursa de alimentare; Rm este magnitudinea rezistivității electrice a unui fotoconductor în întuneric, numită rezistența întunecată; Rn este rezistența la sarcină.
Atunci când fotorezistorul este iluminat, energia fotonilor este folosită pentru transferul de electroni în banda de conducție. Se mărește numărul de perechi libere de electroni, rezistența picăturilor fotorezistor și un curent de lumină care curge prin ea
Diferența dintre curentul luminos și cel întunecat dă valoarea curentului Iph. numită fotocurentul principal de conductivitate
Atunci când fluxul radiant este mic, un fotocurent primar este aproape conductivitate inertialess și variază direct proporțional cu amploarea incidentului de flux radiant pe fotocelula. Odată cu creșterea valorii fluxului radiant, numărul de electroni de conducere crește. Deplasându-se în interiorul substanței, electronii se ciocnesc cu atomi, le ionizează și creează un flux suplimentar de încărcări electrice, numit fotocurent de conductivitate secundar. Creșterea numărului de atomi ionizați inhibă mișcarea electronilor de conducere. Ca urmare a acestei schimbări, fotocurentul este lagăr în timp cu privire la modificările fluxului de lumină, ceea ce determină o anumită inerție a fotorezistorului.
Principalele caracteristici ale fotorezistoarelor sunt:
Volt-ampere, care caracterizează dependența fotocurentului (cu un flux constant de lumină Ф) sau a curentului întunecat de tensiunea aplicată. Pentru fotorezistoare, această dependență este practic liniară (Figura 4 din anexă). Legea lui Ohm este încălcată în majoritatea cazurilor numai la tensiuni înalte ale fotorezistorului.
Lumină (luxampere), care caracterizează dependența fotocurentului de fluxul de lumină incidență al unei compoziții spectrale constante. Fototranzistorii semiconductori au o caracteristică non-liniară luxamper (figura 5 din anexă). Cea mai mare sensibilitate se obține cu iluminare mică. Acest lucru face posibilă utilizarea fotorezistoarelor pentru a măsura intensitățile radiațiilor foarte scăzute. Cu iluminarea crescândă, curentul luminos crește aproximativ proporțional cu rădăcina pătrată a iluminării. Panta caracteristicii lux-sampeter depinde de tensiunea aplicată fotorezistorului.
Spectrală care caracterizează sensibilitatea fotorezistorului sub acțiunea unui flux constant de putere anumită lungime de undă. Răspunsul spectral este determinat de materialul utilizat pentru producerea elementului fotosensibil. fotorezistori sulfura de cadmiu, au o sensibilitate ridicată în spectrul vizibil, Seleniură-cadmiu - în roșu și sulf-plumb - (. Figura 6 app) în infraroșu.
Frecvența. caracterizarea sensibilității fotorezist sub acțiunea fluxului de lumină în schimbare, la o anumită frecvență. Disponibilitatea de inerție în fotoconductiv determină că amploarea fotocurentului depinde de frecvența de modulare a fluxului luminii incidente - (. Figura 7 app) cu creșterea frecvenței de luminoase scade fotocurentilor de flux. Inerția oganichivaet posibilitatea folosirii Fotorezistul în timpul funcționării cu lumină variabilă a fluxurilor de înaltă frecvență.
Parametrii de bază ai fotorezistoarelor:
Tensiunea de funcționare Sus este o tensiune constantă aplicată fotorezistorului, la care parametrii nominali sunt prevăzuți în timpul funcționării sale îndelungate în condiții de funcționare specificate.
Tensiunea maximă admisă Fotorezistorul Umax - valoarea maximă a tensiunii de CC aplicată fotoconductorii la care devierea parametrul său din valoarea nominală nu depășește limitele specificate în timpul funcționării prelungite în condiții de funcționare predeterminate.
Rezistența întunecată Rm este rezistența fotorezistorului în absența radiației incidentale în intervalul sensibilității sale spectrale.
Rezistența la lumină Rc este rezistența fotorezistului, măsurată după un anumit interval de timp după declanșarea acțiunii radiației, ceea ce creează iluminarea valorii prestabilite pe ea.
Multiplicitatea modificării rezistenței KR este raportul dintre rezistența întunecată a fotorezistorului și rezistența la un anumit nivel de iluminare (rezistență la lumină).
Puterea de împrăștiere permisă este puterea la care nu au loc modificări ireversibile ale parametrilor fotorezistorului în timpul funcționării sale.
Curentul total al fotorezistorului este un curent constând dintr-un curent întunecat și un curent fotocurent.
Fotocurentul este curentul care trece prin fotorezistor la tensiunea indicată pe acesta, cauzată numai de acțiunea fluxului de radiație cu o distribuție spectrală dată.
Sensibilitate specifică - raportul fotocurentului la produs al cantității de incident de flux luminos pe fotorezistor la tensiunea aplicată, μA / (lm · V)
unde Iph este fotocurentul egal cu diferența curenților care curg prin fotorezistor în întuneric și la o anumită iluminare (200 lux), μA; Ф - fluxul luminii incidente, lm; U este tensiunea aplicată fotorezistului, V.
Sensibilitatea integrată este rezultatul sensibilității specifice la tensiunea limitată de operare Sin = K0 Umax.
Constanta de timp Φ este timpul în care fotocurentul se modifică cu 63%, adică cu un factor de e. Constanta de timp caracterizeaza inertia dispozitivului si afecteaza forma reactiei sale de frecventa.
Când lumina este pornită și oprită, fotocurentul se ridică la maximum (Figura 8 din anexă) și scade la minimum, nu instantaneu. Natura și durata curbelor de creștere și descompunere fotocurrent în timp depind în mod esențial de mecanismul de recombinare a purtătorilor de neechilibru într-un material dat și de magnitudinea intensității luminii. La un nivel scăzut de injectare, creșterea și căderea fotocurentului în timp pot fi reprezentate de exponențiali cu o constantă de timp , Egală cu durata de viață a transportatorilor din semiconductor. În acest caz, atunci când lumina este pornită, fotocurentul va crește și scade în timp, în conformitate cu legea
unde Iph este valoarea fotocurrent staționară sub iluminare.
Prin curbele degradării fotocuritoare în timp, se poate determina durata de viață # 116; purtători de neechilibru.
Sulfurile, selenidele și teluridele diferitelor elemente, precum și compușii de tip AIII BV, sunt folosiți pe scară largă ca materiale fotorezistente. În regiunea în infraroșu poate fi utilizat pe baza fotoconductoare PbS, PbSe, PbTe, INSB, în regiunea de lumină vizibilă și aproape ultraviolet - CdS.
În ultimii ani, fotorezistoarele au fost utilizate pe scară largă în multe ramuri ale științei și tehnologiei. Acest lucru se datorează sensibilității ridicate, designului simplu, dimensiunilor mici și unei disipări semnificative a puterii admisibile. Un interes considerabil îl reprezintă utilizarea fotorezistoarelor în optoelectronică.
Înregistrarea radiațiilor optice
Pentru a înregistra radiația optică, energia sa luminoasă este de obicei transformată într-un semnal electric, care este apoi măsurat în mod obișnuit. În această transformare, se folosesc de obicei următoarele fenomene fizice:
- generarea de suporturi mobile în detectoare fotoconductive în stare solidă;
- schimbarea temperaturii termocuplilor după absorbția radiației, conducând la o schimbare a puterii termoelectrice. etc .;
- emisia de electroni liberi ca rezultat al efectului fotoelectric din filmele fotosensibile.
Cele mai importante tipuri de detectoare optice sunt următoarele dispozitive:
fotodetector Schema semiconductor prezentat în Fig. 9 aplicații. Cipul semiconductor este conectat în serie cu un R rezistor și o sursă de tensiune de CC V. Valul optic, care trebuie să fie înregistrată, este incident pe cristal și este absorbită de acestea, în care interesant electronii în banda de conducție (sau semiconductori de tip P- - gaura din banda de valență). O astfel de excitație conduce la o scădere a rezistenței la Rd a cip semiconductor și, prin urmare, la o creștere a căderii de tensiune pe rezistența R, care, atunci când Rd / Rd <<1 пропорционально плотности падающего потока. В качестве примера рассмотрим энергетические уровни одного из наиболее распространенных полупроводников – германия, легированного атомами ртути. Атомы Hg в германии являются акцепторами с энергией ионизации 0.09 эВ. Следовательно, для того, чтобы поднять электрон с верхнего уровня валентной зоны и чтобы атом Hg (акцептор) сумел захватить его, необходим фотон с энергией по крайней мере 0.09 эВ (т. е. фотон с длиной волны короче 14 мкм). Обычно кристалл германия содержит небольшое количество ND донорных атомов, которым при низких температурах энергетически выгодно отдавать свои валентные электроны большому количеству NA акцепторных атомов. При этом возникает равное количество положительно ионизированных донорных и отрицательно ионизированных акцепторных атомов. Так как концентрация акцепторов NA>> ND. majoritatea atomilor acceptori rămân neîncărcați.
Fotonul incident este absorbit și transferă electronul din banda de valență la nivelul atomului acceptor, așa cum se arată în Fig. 10 aplicații (procesul A). Gaura rezultată se mișcă sub acțiunea unui câmp electric, ceea ce duce la apariția unui curent electric. De îndată ce electronul de la nivelul acceptorului revine la banda de valență, distrugând astfel gaura (procesul B), curentul dispare. Acest proces se numește recombinarea electronică a găurilor sau captarea unei găuri de către un atom acceptor.
Prin alegerea impurităților cu o energie de ionizare mai scăzută, pot fi detectate fotoni cu o energie mai mică. Fotodetectoarele semiconductoare existente funcționează, de obicei, la lungimi de undă până la 32 microni.
Rezultă din cele de mai sus că principalul avantaj al fotodetectori semiconductoare, comparativ cu fotomultiplicatori este capacitatea lor de a detecta radiații de lungime de undă lungă, deoarece crearea de purtători de sarcină de telefonie mobilă în ele nu este asociată cu depășirea unui obstacol potențial semnificativ de suprafață. Dezavantajul acestora este un câștig ușor redus. În plus, în scopul photoexcitation a purtătorilor nu sunt mascate de excitație termică, fotodetectori semiconductoare trebuie să fie răcită.
1 # 46; Gershunsky BS Bazele electronicii și microelectronicii. - Școala K. Vishcha. 1989. - 423 p.
2 # 46; Workshop pe semiconductori și dispozitive semiconductoare; ed. K. V. Shalimova. - M. Liceu. 1968. - 464 p.
3 # 46; Fedotov Ya A. Fundamentele fizicii dispozitivelor semiconductoare. - Radiodifuziunea sovietică. 1970. - 591 p.
4 # 46; Yariv A. Introducere în electronica optică. - M. Liceu. 1983. - 400 s.
5 # 46; Kittel C. Introducere în fizica solidelor, 3d Ed. - New York: Wiley, 1967. - p. 38.
6 # 46; Kittel C. Fizica elementară solidă. - New York - Londra: Wiley, 1962.