Материал: Физические основы работы фоторезисторов

Физические основы работы фоторезисторов

1. Введение

Фотоэлектрические приемники лучистой энергии - приборы для обнаружения и измерения электромагнитного излучения, основанные на фотоэффекте, находят все более широкое применение в различных областях техники и для научных исследований. Наряду с другими типами фотоприемников, к числу фотоэлектрических приемников лучистой энергии относятся и фоторезисторы, т.е. приборы, основанные на явлении фотопроводимости.

Явление фотопроводимости (уменьшение электрического сопротивления материала при поглощении им излучения) было открыто в 1873 г. У. Смитом. Практическое начало создания фоторезисторов как приемников излучения относится к 1917 г., когда были созданы сернисто-таллиевые фоторезисторы (таллофиды). Дальнейшему развитию фоторезисторов способствовала возможность использования невидимого человеческим глазом инфракрасного излучения многих объектов в военных целях. В 1940 г. были получены первые сведения о фотопроводимости в PbS и PbSe. Последующие исследования привели к созданию сернисто-свинцовых фоторезисторов, использованных Германией в конце второй мировой войны для обнаружения военных объектов. С этого момента начинается быстрое развитие фоторезисторов, нашедших применение не только в военной технике, но и в различных областях народного хозяйства.

В нашей стране большую роль в деле изучения фотоэффекта в полупроводниках, в создании и изучении новых полупроводниковых материалов, пригодных для изготовления фоторезисторов, сыграли работы А.Ф. Иоффе и его сотрудников. Большой вклад в изучение механизма фотопроводимости был внесен также работами Б.Т. Коломийца, С.М. Рывкина, Л.Н. Курбатова, В.В. Балакова, Д.В. Наследова. Всеобщее признание получили работы В.Е Лошкарева и его сотрудников в области исследования фотоэлектрических явлений в сернистом кадмии.

Серийный выпуск фоторезисторов в нашей стране начался в 1948 г., когда были освоены сернисто-висмутовые фоторезисторы. Позже они были заменены сернисто-кадмиевыми и селенисто-кадмиевыми фоторезисторами, обладающими значительно лучшими параметрами. Большая роль в создании первых промышленных образцов фоторезисторов на основе сернистого кадмия и сернистого свинца принадлежит профессору Б.Т. Коломийцу и его сотрудникам. В последние годы ими и другими учеными были созданы также фоторезисторы на основе селенистого свинца, обладающие высокими фотоэлектрическими параметрами и эксплуатационными свойствами.

В настоящее время трудно найти такую отрасль народного хозяйства, науки или техники, где бы не применялись фоторезисторы.

2. Фоторезисторы, их свойства и принцип работы

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого меняется под действием светового потока. Структура фоторезистора и схема его включения показаны на рис. 1 (а, б).

Рис. 1. Структура фоторезистора и схема его включения

Основной частью фоторезистора является полупроводниковый элемент, снабженный выводами и расположенный так, что на него может падать свет (рис. 1, а). На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 по краям. Фоторезистор включается в цепь независимо от полярности источника питания Е.

Схема включения фоторезистора показана на рис. 1, б. Здесь R - нагрузочное сопротивление, U - снимаемое с него напряжение, U - напряжение источника питания.

Принцип действия фоторезистора основан на образовании дополнительного количества подвижных носителей заряда в результате поглощения полупроводником лучистой энергии, вследствие чего уменьшается его сопротивление, т.е. возникает дополнительная электропроводность, называемая фотопроводимостью полупроводника.

Если освещать поверхность полупроводника непрерывно, то число дополнительных носителей заряда будет возрастать до наступления динамического равновесия, когда число вновь появившихся носителей будет равно числу рекомбинировавших. После прекращения освещения избыточные носители рекомбинируют друг с другом и восстанавливается прежняя величина проводимости, характерная для необлучаемого элемента.

Концентрация носителей заряда, возбужденных светом, определяется выражением

=β, (1)

где Ф - интенсивность облучения; β - коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты падающего света и скорости рекомбинации носителей заряда.

В фоторезисторах используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электропроводности вещества под воздействием электромагнитного излучения. Выражение для фотопроводимости имеет вид

σ=е nµ, (2)

Для понимания физических процессов, обусловливающих фотопроводимость различных материалов, необходимо кратко рассмотреть основы зонной теории и некоторые электронные процессы, имеющие место в кристаллах твердых тел.

Атомы элементов, как известно, состоят из положительно заряженного ядра и электронов, движущихся вокруг него по определенным орбитам, образующим систему оболочек (эти оболочки обозначаются буквами K, L, N и др.). Энергетическое состояние электрона в атоме, т.е. его потенциальная и кинетическая энергия, определяется номером орбиты, по которой он движется.

Из сказанного выше следует, что энергетический спектр состояний электронов в атоме может быть изображен в виде отдельных линий (уровней), соответствующих дискретным значениям энергии. Переход электронов с одного энергетического уровня на другой возможен только в том случае, если они получают извне дополнительную энергию, например, под действием температурного нагрева, света или сильного электрического поля. Причем переход электрона с уровня на уровень следует понимать не как перемещение его в пространстве, а как потерю или приобретение им энергии по сравнению с первоначальным ее значением.

Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства материалов определяются числом только внешних, наименее связанных с ядром валентных электронов, поведение которых в периодическом поле кристаллической решетки описывается зонной теорией. В соответствии с этой теорией при образовании кристаллической решетки, т.е. при сближении атомов, их энергетические уровни вследствие взаимодействия расщепляются, образуя отдельные зоны.

Энергетический спектр валентных электронов в кристаллической решетке твердого тела изображен на рис. 2.

Из рисунка видно, что спектр валентных электронов образует две зоны - основную зону 1 и зону возбужденных уровней 2. Степень заполнения электронами этих зон определяется природой атомов, образующих кристаллическую решетку. В принципе могут иметь место три случая: а) все состояния образовавшейся зоны заполнены электронами, б) зона частично заполнена электронами, в) зона полностью свободна от электронов. При абсолютном нуле температуры (Т=0° К) зона 1 частично или полностью занята электронами. Ее принято называть валентной или заполненной зоной. Зона 2 при Т=0° К полностью свободна, а поэтому ее называют свободной зоной или зоной проводимости.

Рис. 2. Энергетический спектр валентных электронов в различных материалах (а - металл, б - полупроводник, в - изолятор)

фотоэлектрический фоторезистор оптический электрон

У различных твердых веществ эти две зоны относительно друг друга могут занимать различное положение. У металлов (см. рис. 2,а) эти зоны либо непосредственно примыкают друг к другу, либо даже перекрывают друг друга. По величине энергии энергетические уровни в зоне проводимости отличаются очень незначительно (порядка 10-23 эв). Поэтому можно считать, что в пределах зоны 2 энергетический спектр практически непрерывен. Так как средняя тепловая энергия атома при комнатной температуре составляет примерно 4∙10-2 эв, т.е. во много раз больше, чем энергетический барьер между соседними уровнями зоны 2, то в пределах последней электроны металлов могут свободно переходить с одного уровня на другой.

Под влиянием приложенного к металлу электрического поля электроны начнут направленное движение (в сторону положительного потенциала), т.е. в замкнутой цепи потечет электрический ток.

В полупроводниках и изоляторах энергетический спектр разрешенных уровней, находящихся в валентной зоне 1 и в зоне проводимости 2, разделен зоной запрещенных энергетических уровней, ширина которых равна ΔЕ эв (см. рис. 2,б, в). Приложение электрического поля к материалу, имеющему такую структуру, не вызывает появления электрического тока, несмотря на то, что концентрация электронов в валентной зоне может быть такой же, как у металлов. Это объясняется тем, что все энергетические состояния валентной зоны уже заняты, а поэтому находящийся в электрическом поле электрон не может повысить свое энергетическое состояние, т.е. перейти на более высокий энергетический уровень.

Для появления электропроводности в таком материале необходимо, чтобы часть электронов валентной зоны каким-то образом повысила свою энергию на величину, равную или более ширины запрещенной зоны ΔЕ, и попала в зону проводимости, где они могут свободно перемещаться в электрическом поле. При температуре выше абсолютного нуля вероятность таких переходов существует за счет теплового движения электронов. Величина электропроводности материалов (σ) при этом будет определяться соотношением между средней тепловой энергией электронов и шириной запрещенной зоны

σ=Ае [ом·см], (3)

где А - коэффициент, зависящий от материала полупроводника; ΔЕ - ширина запрещенной зоны, эв; k - постоянная Больцмана (k=1,38·10 вт·сек/град); Т - абсолютная температура, °К.

По величине электропроводности при комнатной температуре кристаллические вещества условно делят на полупроводники и изоляторы. К числу полупроводников относят кристаллы с шириной запрещенной зоны до 2 - 2,5 эв. Указанная граница является, конечно, чисто условной. Величина удельной электропроводности полупроводников лежит в пределах от 10 до 10 1/ом·см. К изоляторам относят материалы с шириной запрещенной зоны более 2,5 эв. Их электропроводность составляет величину σ<10 1/ом·см.

Уход из валентной зоны отдельных электронов, которые получили каким то образом дополнительную энергию Е> ΔЕ, вызывает появление в этой зоне пустых (незаполненных) уровней, которые носят название «дырок» и имеют положительный электрический заряд. Электроны, оставшиеся в заполненной зоне, имеют возможность перемещаться с одного уровня на другой в пределах этой зоны, занимая образовавшиеся дырки, а вместо них образуя новые дырки на других энергетических уровнях. Таким образом, направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.

Если к такому полупроводнику приложить электрическое поле, то электроны будут двигаться против поля, а дырки - по направлению поля. Скорость направленного движения носителей тока (электронов и дырок) будет пропорциональна напряженности электрического поля. Коэффициент пропорциональности µ между скоростью движения носителей и напряженностью электрического поля носит название подвижности носителей

µ= , (4)

где υ - средняя скорость носителя тока в электрическом поле, см/сек; Е - напряженность электрического поля, в/см.

Электроны создают электронный ток I, а дырки - дырочный I. О таком полупроводнике говорят, что он обладает электронно-дырочной проводимостью. Общий ток I будет равен

= I+ I. (5)

Составляющие тока соответственно равны

=en µSE, I=en µSE, (6)

где е - заряд электрона; n, n - соответственно концентрация электронов и дырок; µ, µ - соответственно подвижность электронов и дырок; S - площадь поперечного сечения полупроводника; Е - напряженность электрического поля.

Рассмотренный выше тип полупроводника является беспримесным (собственным), а проводимость, обусловленная переходом валентных электронов в зону проводимости, также называется собственной.

Если в кристаллической решетке полупроводника имеются различные примеси, то они существенно изменяют как величину, так и характер электропроводности полупроводника.

Энергетические уровни валентных электронов примеси могут располагаться либо вблизи зоны проводимости (рис. 3,б), либо вблизи валентной зоны (рис. 3,в).

Рис. 3. Электронные переходы в полупроводниках в случае собственной (а) и примесной (б, в) проводимостей

В первом случае дополнительная, сверх собственной, электропроводность создается в результате перехода электронов с энергетического уровня примеси (донорный уровень) в свободную зону 2 полупроводника при преодолении ими энергетического барьера ΔЕ, во втором случае - в результате образования свободных дырок в валентной зоне за счет ухода электронов из валентной зоны 1 полупроводника на энергетический уровень примеси (акцепторный уровень), преодолевая при этом энергетический барьер ΔЕ.

Полупроводники с донорной примесью называются электронными или полупроводниками n-типа, а с акцепторной примесью - дырочными или полупроводниками p-типа.

Поскольку ΔЕ< ΔЕ и ΔЕ< ΔЕ, то для перевода электронов в возбужденное состояние в примесном полупроводнике им необходимо сообщить значительно меньше энергии, чем в чистом (собственном) полупроводнике. В примесных полупроводниках основное повышение электропроводности достигается при переходе электронов из заполненной зоны на акцепторный уровень примеси (для полупроводника p-типа) или с уровня донорной примеси в свободную зону 2 (для полупроводника n-типа) при преодолении ими энергетического барьера ΔЕ или ΔЕ. В первом случае основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в заполненной зоне 1 (дырочная проводимость), во втором - электроны, перешедшие в свободную зону 2 (электронная проводимость). Кроме основных носителей тока, в примесных полупроводниках имеет место и электронно-дырочная проводимость, как и у беспримесных полупроводников. Однако число таких носителей значительно уступает количеству основных носителей. Вследствие этого носители собственной проводимости в примесных полупроводниках получили название неосновных (для полупроводников p-типа это электроны, а для полупроводника n-типа - дырки).