5.1.1.  Принцип действия

Фоторезистор – это полупроводниковый резистор, действие которого основано на фоторезистивном эффекте.

В фоторезисторах используется явление изменения сопротивления вещества под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. Основным элементом их является полупроводниковая пластина, сопротивление которой при освещении изменяется. Механизм возникновения фотопрово­димости можно объяснить следующим образом. В затемненном полупроводнике в результате воздействия тепловой энергии имеется небольшое количество подвижных носителей заряда (электронов и дырок). Соответственно полупроводник обладает начальной проводимостью (σ0), которая носит название темновой:

,

где q – заряд электрода; ,  – концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике в равновесном состоянии.

Под действием света концентрация подвижных носителей заряда увеличивается, причем возможны различные механизмы их генерации. Возрастание концентрации дырок и электронов может происходить за счет того, что кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости. Кроме того, они могут вызвать переход электронов из валентной зоны на примесные уровни и увеличение только дырочной электропроводности или переход электронов с при­месных уровней в зону проводимости и увеличение электронной электропроводности.

Таким образом, в полупроводнике при облучении светом концентрация подвижных носителей заряда увеличивается на величину  и  и проводимость его резко возрастает:

.

Изменение электропроводности полупроводника под дей­ствием света и есть его фотопроводимость:

.

Меняя яркость освещения, изменяют фотопроводимость полупроводника.

При включении потока облучающего света интенсивность процесса генерации носителей заряда не сразу достигает стационарного значения, соответствующего интенсивности па­дающего излучения, а нарастает со временем по экспоненци­альному закону:

,

где  – коэффициент поглощения, характеризующий энергию, погло­щенную полупроводником;  – квантовый выход, определяющий число носителей заряда, образующихся при поглощении одного фотона;  – время жизни неравновесных носителей заряда; N – число фотонов, падающих в секунду на единицу площади.

Если время облучения достаточно велико:

,

то концентрация неравновесных носителей заряда достигает своего стационарного значения, причем, когда электроны и дырки образуются парами при переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости (собственное поглощение энергии полупроводником), число неравновесных дырок равно числу неравновесных электронов:

.

При примесном поглощении, когда генерируются в ос­новном носители заряда одного знака, возникает или электронная, или дырочная фотопроводимость, причем в переход­ных режимах она также изменяется по экспоненциальному закону. Если выключить облучающий поток света, то изменение концентрации неравновесных носителей заряда при  описывается выражением:

.

Явление постепенного изменения  при включении и вы­ключении облучающего потока называют релаксацией фо­топроводимости.

Отношение числа прошедших во внешней цепи электронов к числу возникших в фоточувствительном слое электронов называ­ют коэффициентом усиления фоторезистора:

3 height=41 src=http://electrono.ru/wp-content/image_post/kvant_opt/pic69_5.gif>.

Произведение подвижности электронов на напряженность электрического поля есть скорость дрейфа электронов, которую можно также представить как расстояние между электродами, деленное на время пролета носителей между электродами (). Поэтому коэффициент усиления фоторезистора можно выразить и в таком виде:

.

Если в полупроводниковом фоточувствительном слое есть примеси, являющиеся ловушками захвата для неосновных носи­телей заряда (сенсибилизирующие или очувствляющие примеси), то захват неосновных носителей этими ловушками может сущест­венно (на несколько порядков) увеличить эффективное время жизни неравновесных основных носителей. В этом случае время жизни может значительно превышать время пролета носителей между электродами. Когда один из электронов достигает положительного электрода, другой электрон входит в полупроводни­ковый слой из отрицательного электрода для сохранения элек­трической нейтральности объема полупроводника, в котором осталась нескомпенсированная положительно заряженная ло­вушка захвата. Таким образом, поглощение одного фотона может служить причиной прохождения через фоторезистор мно­гих электронов.

Введение сенсибилизирующих примесей, приводя к увеличе­нию эффективного времени жизни основных носителей, вызывает снижение быстродействия фоторезистора.