измеряемая в люксах (1 лк=1 лм/м). Мощность монохроматического излучения Р (падающего на единицу поверхности S) и число фотонов Ф (попадающих на единицу поверхности в единицу времени) связаны соотнощением

Ф = Р/(51ф) 5. m«kPlS, А

(8.2)

Р - мощность излучения, Вт; S - площадь, см;

Wiihv=hc/%-энергия фотона, Дж; h=6.,62-l(y- Дж-с - постоянная Планка;

V - частота световых колебаний;

с - скорость света;

Я - длина волны излучения, мкм.

Суммарная мощность потока излучения абсолютно черного тела с температурой Т согласно закону Стефана - Больцмана:

Р = 07-45,

где о=5,67-Ю- Вт/(см2-К) -постоянная Стефана - Больцмана.

Физические процессы при поглощении излучения. При прохождении светового потока в глубь кристалла полупроводника интенсивность поглощения излучения в направлении х экспоненциально уменьшается

где Вп - коэффициент поглощения, см-;

Фо - поток, падающий иа поверхность кристалла, лм; X - глубина проникновения светового потока.

Действие фоточувствительных полупроводниковых приборов основано на поглощении энергии излучения валентными электронами собственных атомов полупроводника. Минимальная энергия, которую поглощает электрон при переходе из валентной в зону проводимости, равна ширине запрещенной зоны Ашз (в электрон-вольтах). Эта энергия определяет границу поглощ.ения, т. е. критическую длину волны кванта, который может поглотиться в кристалле,

Хкр(мкм) = 1,24/Ддаз. (8.4)

На рис. 8.1 показано положение границы собственного погло» щения некоторых полупроводников. Для фотонов с энергией.

cc,1/cff

100 ВО lO

1 D,t 0.8 1,2 1Б 2,0 щ,ЭВ Рис. 8.1. Границы собственного погашения и характеристики фотопроводимости

меньшей Аюз, коэффициент поглощения агг=0 и резко возрастает для фотонов с энергией, превышающей значение Aws. Граница собственного поглощения зависит от температуры. Она сдвигается в область более длинных или коротких длин волн при температурном возбуждении (при сужении или расширении запрещенной зоны).

В примесных полупроводниках наряду с собственным поглощением происходит примесное поглощение. Оно сопровождается генерацией носителей заряда одного знака (электронов с энергоуровней доноров или дырок с уровней акцепторов).

Заметное поглощение энергии излучения возможно также сво-бодйыми носителями заряда (при высокой их концентрации). Имеет место и небольшое решеточное поглощение излучения.

Скорость генерации фотоносителей. Носители электрического» заряда, генерируемые в полупроводнике под действием оптического излучения, называют фотоносителями. Объемная скорость генерации фотоносителей по глубине поглощения потока излучения

й(д;) = г;р=а„Ф(х)р, (8.5>

где 1) = апФ(л:) - объемная скорость поглощения фотонов [фотонов/(см-с)];

р - число свободных носителей зарядов, производимое одним фотоном.

При малых значениях толщины из облучаемой области и коэффициента поглощения Оп (т. е. при апИ<С1) объемная скорость генерации носителей не зависит от глубины проникновения излучения

g = a„Ф? • (8.6)

Когда ап велик и UnWl, излучение поглощается у поверхности кристалла, что характерно для собственного поглощения.

§ 8.2. Фоторезисторы

Принцип действия. Фоторезисторы (ФР) представляют собой фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения. Действие ФР основано на эффекте фотопроводимости. Фотопроводимость в полупроводниках обусловлена внутренним фотоэффектом. За счет собственного поглощения излучения происходит межзонный переход электронов. Он сопровождается ростом концент-трации избыточных носителей (An электронов и Ар дырок) в зонах, вследствие чего увеличивается электропроводность Аоф (называемая фотопроводимостью) кристалла:

Дсф = (уДп(Ая-(-Дрцр. (8.7)

Здесь концентрация генерируемых светом электронов и дырок: Дп=апФр13„; ДрИпФрИр, (8.8)

где Гп и Тр - эффективное время жизни электронов и дырок.

Когда освещение кристалла прекращается, неравновесные носители рекомбинируют и темповая электропроводность принимает исходное значение. На рис. 8.1, а изображена спектральная зависимость фотопроводимости, иллюстрирующая изменение фотопроводимости при изменении энергии фотонов. При энергии фотона hv<iAWs небольшая проводимость Даф обусловлена тепловыми колебаниями решетки. Они приводят к случайным изменениям ширины запрещенной зоны и энергии электронов.

С ростом энергии фотона фотопроводимость возрастает до максимального значения Дофмакс (рис. 8.1, б). Однако с увеличением коэффициента поглощения Оп большая часть излучения поглощается в более тонком поверхностном слое, где время жизни носителей X меньше, чем в объеме, поэтому фотопроводимость Доф снижается.

При увеличении интенсивности светового потока Ф фотопроводимость Доф возрастает вначале линейно, а затем рост замедляется (рис. 8.1, е). Замедление происходит при большой концентрации из-за уменьшения времени жизни носителей и увеличения скорости их рекомбинации.

Характеристики. Зависимость сопротивления ФР от интенсивности потока /?ф=1ф(Ф) представлена на рис. 8.2, а. При отсутствии Ф облучения и подаче номинального (рабочего) напряжения значение темпового сопротивления

Rr = Up6/l,b (8.9)

максимально. Оно определяет величину темпового тока /т между токоотводами прибора.

Вольт-амперные характеристики показывают зависимость светового потока от приложенного напряжения при фиксированном потоке излучения /ф = ф(С/), если Ф = const (рис. 8.2,6). Они линейны в пределах допустимой мощности рассеяния. Характеристика, снятая при Ф=0, является характеристикой темпового тока /т = ф(С/). Ее наклон определяется темповым сопротивлением Rt. С увеличением потока (Ф2>Ф1>Фо = 0) сопротивление Rt уменьшается (см. рис. 8.2,а), а крутизна ВАХ увеличивается.

Световые (энергетические) характеристики /ф = ф(Ф) при С/=const (рис. 8.2,е) линейны лишь при небольших значениях по-

Cl/f, ГБ

8 Ч О

ЫТт.МКА

B}i,mka

1200

S?SD50,010,015Ф,лм WWmuJ

8) Iip/IpMaKC

0,01 0,02 Vm" 0,2 10 Х,мкм

Рис. 8.2. Характеристики фоторезисторов