3.6. Fotoprzewodnictwo

Jest to tzw. wewnętrzny efekt fotoelektryczny. Polega na wzroście konduktywności pod wpływem oświetlenia próbki promieniowaniem EM.

3.6.1. Opis zjawiska

Jeżeli próbkę materiału jak na Rys. 3.6.1. oświetlić promieniowaniem EM o długości fali  [m] spełniającej warunek:

(3.6.1)

gdzie W_g - szerokość pasma zabronionego materiału półprzewodnikowego [eV], wówczas może wystąpić tzw. samoistna absorpcja światła połączona z przejściem elektronów z pasma walencyjnego W_V do pasma przewodnictwa W_C.- Rys. 3.6.1.

Rys. 3.6.1. Przejście elektronu z pasma walencyjnego do przewodnictwa na skutek pochłonięcia fotonu.

Jest to generacja par elektron-dziura pod wpływem promieniowania EM.

Przyrost koncentracji nośników (składowej elektronowej) n, wywołany oświetleniem będzie:

(3.6.2)

gdzie: g_n - współczynnik generacji [m^-3s^-1], liczba nośników (elektronów) uwalniana w 1 m³ w ciągu 1 sek., _n czas życia nośników (elektronów). Współczynnik generacji można zastąpić wyrażeniem:

(3.6.3)

gdzie C_n - stała,  - strumień promieniowania.

Przyrost konduktywności σ , wywołany zmianą koncentracji nośników n (elektronów) będzie:

(3.6.4)

Łącząc wyrażenia (3.6.2) do (3.6.4) otrzymuje się:

(3.6.5)

3.6.2. Foto-rezystor

Foto-rezystor może stanowić cienka płytka półprzewodnika, której oświetlana jest duża powierzchnia - Rys. 3.6.2.

Składowa fotoelektryczna I_F prądu płynącego przez próbkę jak na Rys. 3.6.2. będzie:

(3.6.6)

Rys. 3.6.2. Efekt fotoelektryczny w płasko-równoległej próbce półprzewodnika - fotorezystora.

Biorąc pod uwagę wymiary próbki jak na Rys. 3.6.2 można napisać:

(3.6.7)

lub, dla próbki o ustalonych wymiarach, w skrócie:

(3.6.8)

gdzie stała C₁ jest

(3.6.9)

Jak wynika z zależności (3.6.8), składowa fotoelektryczna I_F prądu płynącego przez próbkę pod napięciem U będzie proporcjonalna do strumienia światła , jak to przedstawiono na Rys. 3.6.3.

Rys. 3.6.3. Charakterystyki prądowo-napięciowe foto-rezystora dla różnych strumieni światła

3.6.3. Budowa i właściwości foto-rezystorów.

Aby foto-rezystor wykazywał maksymalną czułość, występujące pod wpływem oświetlenia zmiany rezystywności winny występować w całej grubości płytki (Rys. 3.6.2). Ponieważ natężenia promieniowania I padającego na płytkę zmienia się, wzdłuż jej grubości x, wykładniczo:

(3.6.10)

gdzie I₀ - natężenia promieniowania na płaszczyźnie padania,  - współczynnik tłumienia promieniowania; foto-rezystory wykonuje się w postaci cienkich warstw odpowiednich półprzewodników. Przykład rozwiązania foto-rezystora z „grzebieniowym” układem elektrod przedstawiono na Rys. 3.6.4.

Rys. 3.6.4. Budowa foto-rezystora. 1- cienka warstwa półprzewodnika, 2 - elektroda metalowa, 3 - podłoże (płytka szklana)

Właściwości foto-rezystorów charakteryzują:

• światłoczułość S (dotyczy materiału) - przyrost konduktywności w stosunku do wywołującego go przyrostu natężenia promieniowania  :

(3.6.11)

• czułość C_i - stosunek sygnału wyjściowego (I_F,U) do wejściowego (), prądowa [A/W] i napięciowa [V/W]

(3.6.12)

Czułość jest funkcją wielu parametrów, C_i =f(. T, P_a, U). Bardzo istotną jest zależność C_i od długości promieniowania, przedstawiana jako czułość względna (odniesiona do maksymalnej) - tzw. czułość widmowa C_i =f(). Przykłady dla kilku powszechnie stosowanych materiałów przedstawiono na Rys. 3.6.5.

Granica (spadek czułości) od strony długich fal wynika z progu absorpcji, zaś od strony krótkich - ze zmniejszania się głębokości wnikania - silne pochłanianie

Rys. 3.6.5. Czułość widmowa wybranych foto-rezystorów

promieniowania przy powierzchni - zależy od wymiarów (grubości) foto-rezystora.

• stała czasu detektora _(n) - wynika z określonego czasu życia nośników ładunku . Po wyłączeniu oświetlenia przyrost koncentracji n zanika według zależności:

(3.6.13)

Zjawisko rozciągniętego w czasie zaniku koncentracji nośników ładunku wzbudzonych promieniowaniem przedstawiono na Rys. 3.6.6.

Rys. 3.6.6. Zmiany koncentracji nośników oraz konduktywności pod wpływem impulsu światła.