Краткие теоретические сведения. Изменение электрической проводимости (удельного сопротивления) веще­ства под воздействием электромагнитного излучения называют фотопроводимо­стью

 

Изменение электрической проводимости (удельного сопротивления) веще­ства под воздействием электромагнитного излучения называют фотопроводимо­стью (фоторезистивным эффектом).

При фотопроводимости первичным является процесс поглощения фотонов. Фотопроводимость Dg равна разности проводимостей полупроводника на свету и в темноте:

 

,

где D n и D p – концентрации неравновесных носителей заряда, возникших вследствие оптической генерации; е – заряд электрона
(–1.6 10^–19Кл); m _n и m _p – подвижность электронов и дырок соответственно.

Скорость оптической генерации носителей заряда g ₀ определяется интен­сивностью падающего света и показателем поглощения:

 

, (10.1)

 

где h₀ – квантовый выход внутреннего фотоэффекта; a – показатель поглощения света; Е – световой поток.

Квантовым выходом внутреннего фотоэффекта называют количество пар носителей заряда, приходящееся на один поглощенный квант. В фотоэлектриче­ски активной области электромагнитного спектра квантовый выход чаще всего равен единице, то есть каждый фотон создает при возбуждении решетки одну па­ру носителей заряда.

Релаксация фотопроводимости. Изменение электрических свойств полу­проводников под влиянием электромагнитного излучения носит временный ха­рактер. После прекращения облучения проводимость возвращается к тому значе­нию, которое она имела до облучения. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фото­резисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении их быст­родействия.

Рассмотрим процессы, происходящие в полупроводнике при воздействии на него прямоугольного светового импульса (рис. 10.1). Убыль или накопле­ние неравновесных носителей заряда определяется разностью скоростей генера­ции и рекомбинации носителей:

 

 

Рис. 10.1. График зависимости проводимости полупроводника от времени при импульсном изменении интенсивности падающего на него света

 

, (10.2)

 

где τ – время жизни неравновесных носителей заряда.

Интегрируя (10.2) с начальным условием D n = 0 при t = 0, найдем закон на­растания избыточной концентрации носителей заряда при включении освещения:

 

,

 

где D n _ст = τ g ₀.

По такому же закону происходит и нарастание фотопроводимости:

 

.

 

Таким образом, крутизна фронтов нарастания и спада фотопроводимости находится в тесной связи со временем жизни неравновесных носителей заряда, и определяется как время максимальной скорости нарастания или спада изменения проводимости Δγ (рис. 10.1).

При воз­действии на полупроводник светового пучка неизменной интенсивности в нем, по истечении некоторого времени, устанавливается стационарное значение избы­точной концентрации носителей заряда и фотопроводимости. Из выражений (10.1) и (10.2) для области собственного поглощения имеем:

 

,

 

.

 

Чем больше время жизни неравновесных носителей заряда, тем меньше скорость рекомбинации и больше фото про водность. Отсюда следует, что фото­чувствительность и быстродействие полупроводниковых приемников излучения связаны между собой через параметр t, чем больше фоточувствительность, тем ниже быстродействие и наоборот.

При слабых световых потоках время жизни считается величиной постоян­ной, не зависящей от уровня возбуждения (случай линейной рекомбинации). По­этому зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения носит линей­ный характер. С увеличением интенсивности света часть ловушек захвата начнет превращаться в рекомбинационные центры, что должно привести к увеличению скорости рекомбинации и уменьшению t. В узком диапазоне интенсивностей све­товая характеристика может быть аппроксимирована зависимостью вида:

 

, (10.3)

 

где В – постоянная, характеризующая материал; x – коэффициент характеризующий степенную зависимость, 0.5 < х < 1.

Сопротивление материала рассчитывается по формуле:

 

(10.4)

 

где l - длина материала; S - площадь сечения материала

В лабораторной установке сопротивление фоторезистора находится из за­кона Ома для участка цепи:

 

R = U / i, (10.5)

 

где U – падение напряжения на фоторезисторе; i – ток протекающий через фоторезистор.

Прировняв формулы (10.4) и (10.5) получим:

 

(10.6)

 

Из формул (10.6) и (10.3) следует, что изменение тока Δi будет равно:

 

 

Постоянные, характеризующие фоторезистор, обозначим коэффициентом β

 

, (10.7)

.

 

Прологарифмируем выражение (10.7)

 

 

Таким образом, по графику зависимости (рис.10.2) оп­ределяется коэффициент β и показатель степени x.

 

Рис. 10.2. График зависимости натурального логарифма изменения тока через полупроводник от натурального логарифма светового потока

 

Показатель степени х определяется как тангенс угла наклона графика:

 

(10.8)

 

Коэффициент β находится из выражения:

 

, (10.9)

 

где ln(D i)₀ – значение ln(D i) при Е = 0, определяется из графика.

 

10.4. Используемое оборудование

 

«Модуль питания», модуль «Фотопроводимость», модуль «Мультиметры», модуль «Функциональный генератор», USB-осциллограф, со­единительные проводники.