При затемнённом сопротивлении практически все электроны связаны с ионами решетки, и только незначительная часть их свободна за счёт тепловой энергии kТ. Если при этом приложить напряжение, то эти свободные носители зарядов, двигаясь в направлении электрического поля, создадут очень незначительный ток – темновой. Падающий на фотосопротивление свет лучше всего представить себе как большое количество световых квантов. Если световой квант встречается с ионами сетки, то энергия светового кванта передаётся электрону, и когда энергия, полученная электроном, превышает энергию связей, электрон освобождается.
Облучающий свет, производит дополнительные свободные носители зарядов. Если к фоторезистору приложено напряжение, то протекающий через него ток становится больше, т.е. при освещении фоторезистора его сопротивление уменьшается.
С точки зрения зонной теории возбуждение электронов можно представить следующим образом: все электроны, связанные с ионами, находятся в валентной зоне, а свободные электроны в зоне проводимости и участвуют в создании электрического тока. Ширина запрещённой зоны, определяется энергией связи электронов. При наличии примесей (Cu, Cl) в запрещенной зоне полупроводника появляются разрешенные для пребывания электронов энергетические уровни, в данном случае примесные. При этом энергия необходимая для отрыва электронов, становится меньше в том случае, если материал находится в зоне работы примеси (когда концентрация свободных электронов может возрастать за счет введенной в материал примеси).
Находясь в зоне проводимости, электрон движется в направлении электрического поля и много раз захватывается; за счёт тепловой энергии вновь освобождается, пока, наконец, он не окажется захваченным ионом, на котором отсутствует электрон. Это называется рекомбинацией электронов. При этом электрон передаёт свою энергию иону, и тепловая энергия решётки полупроводника увеличивается.
Отдельные электроны имеют весьма ограниченный срок жизни – единицы микросекунд. Постоянный фототок при освещении фоторезистора возникает вследствие того, что в каждый момент времени благодаря воздействию света появляется столько же свободных электронов, сколько рекомбинирует (динамическое равновесие).
Выбором геометрических размеров можно сделать фоторезистор низкоомным. Для этого необходимо увеличить толщину слоя полупроводника и уменьшить расстояние между электродами, а также увеличить активную поверхность. Применение электродов по типу гребёнки (рис. 2) позволяет получить особенно большую активную поверхность. При постоянной освещённости сопротивление фоторезистора в широких пределах не зависит от приложенного напряжения (от милливольт до нескольких сотен вольт), т.е. фотосопротивление ведёт себя как обычное активное линейное сопротивление. При этом, конечно, предполагается, что между металлическими электродами и слоем полупроводника не образуется запирающих слоёв.
Рис. 3 – Зависимость сопротивления фоторезистора
от освещённости в логарифмических осях.
В логарифмическом масштабе эта зависимость представляет собой прямую линию, угол наклона которой зависит от величины энергии необходимой для отрыва электрона от атома. Примесь может влиять на угол наклона, так как создает разрешенные уровни в запрещенной зоне.
