Изучение вольтамперных характеристик фотосопротивления

Цель работы: Изучение вольтамперных характеристик фотосопротивления, объяснение полученных результатов на основе явления внутреннего фотоэффекта.

Приборы и оборудование: фотосопротивление ФС, осветитель, источник тока, реостат, микроамперметр, вольтметр.

Теоретическая часть.

В результате поглощения полупроводником лучистой энергии образуется дополнительное количество подвижных носителей заряда, вследствие чего уменьшается его сопротивление. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта или фотопроводимости. Прибор, действие которого основывается на принципе фотопроводимости, называется фоторезистором или фотосопротивлением.

К появлению фотопроводимости приводят три типа переходов. В переходах первого типа электроны из заполненной зоны при поглощении фотона переводятся в зону проводимости. В результате этих переходов образуются свободные электроны и свободные дырки. Возникающая при таких переходах фотопроводимость называется собственной. Переходы второго типа происходят при поглощении фотона атомом донорной примеси кристалла, при этом образуются свободные электроны. Переходы третьего типа возникают, когда при поглощении света электроны переходят из заполненной зоны на незанятые акцепторные уровни. В результате образуются свободные "дырки". Фотопроводимость, возникающая в результате двух последних процессов, называется примесной.

Концентрация носителей заряда, возбужденных светом, определяется выражением ,

где Ф – интенсивность облучения, β – коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты падающего света.

Выражение для фототока можно записать в виде

,

где - фотопроводимость, Е – напряженность внешнего электрического поля, S – площадь сечения полупроводника.

Некоторое количество носителей тока присутствует в полупроводниках и при отсутствии света. Часть электронов переводится из заполненной зоны (и с донорных уровней) в зону проводимости (и на акцепторные уровни) в результате теплового движения. Количество носителей тока, а, вместе с тем, проводимость кристалла определяется температурой кристалла и быстро увеличивается при нагревании. В этом случае говорят о равновесных носителях тока и о темновой проводимости кристалла. Темновой ток является одним из параметров фоторезистора. Иногда более удобно пользоваться понятием темновое сопротивление, которое определяется как сопротивление неосвещенного фоторезистора. Обычно величина темнового сопротивления находится в пределах от десятков килоом до нескольких мегаом.

Фототок представляет собой разность между световым и темновым токами:

.

Фотопроводимость появляется лишь в том случае, если частота света не слишком мала. Энергия фотона h ν должна быть больше энергии запрещенной зоны. Пороговая частота (или длина волны), при которой начинается фотопроводимость, называется красной границей фотоэффекта. Пороговая длина волны различна для различных материалов. Например, ширина запрещенной зоны германия 0,72 эВ, а кремния 1,12 эВ. Соответственно, пороговая длина волны для германия 1,8 мкм, а для кремния 1,2 мкм. Для перевода электрона с примесного уровня в зону проводимости требуется значительно меньшая энергия (менее 0,1 эВ), что обеспечивается воздействием света значительно большей длины волны инфракрасного диапазона.

Рис1.

Вольт-амперные характеристики фоторезисторов линейны в пределах максимально допустимой мощности рассеяния на них (рис.1а), т.е. для них выполняется закон Ома, а они являются омическими сопротивлениями в области слабых электрических полей. При большом напряжении на фоторезисторе вследствие чрезмерного нагрева происходит разрушение светочувствительного слоя.

Световой (люкс-амперной) характеристикой фоторезистора называется зависимость фототока (на практике - для светового тока) от интенсивности освещения (светового потока или освещенности) при неизменном напряжении, приложенном к фоторезистору. Световые характеристики фоторезисторов обычно нелинейны (рис.1б).

Основными характеристиками фоторезисторов являются интегральная и спектральная чувствительность. Интегральная чувствительность фоторезисторов

, (1)

где Ф= S∙E – световой поток, лм, S – площадь светочувствительного слоя фоторезистора, E – освещенность, лк. Интегральная чувствительность фоторезистора зависит от температуры. При увеличении температуры интегральная чувствительность резко снижается, так как увеличивается вероятность рекомбинации избыточных носителей, возникающих при освещении, что приводит к уменьшению фототока. Увеличение концентрации носителей с ростом температуры приводит к возрастанию темнового тока.

Ввиду того, что зависимость между током и напряжением линейна, вводят параметр удельной чувствительностифоторезистора

. (2)

Спектральная чувствительность определяется величиной фототока при освещении определенной длиной волны для единичного светового потока. Величина этой характеристики зависит от энергии, необходимой для перехода электрона в зону проводимости. Спектральная чувствительность фоторезисторов достаточно высокая в широком диапазоне длин волн, практически от инфракрасной области спектра до рентгеновских лучей.