Задание

Определить основные характеристики фоторезистора размером (lwd), изготовленного на основании соединений CdS (А), CdSe (В), Cd_y Hg_1-yTe(С) при облучении его светом c λ = 0,9 λ_гр, мощностью (Р) 4мкВт/см², при продольном напряжении (U) 6В, η=1 и w = 100мкм

Варианты и исходные данные (пример варианта В12)

l(см) / d (мкм)	10	20	30	40	50	60
0,1	1	2	3	4	5	6
0,2	7	8	9	10	11	12
0,3	13	14	15	16	17	18
0,4	19	20	21	22	23	24
0,5	25	26	27	28	29	30
0,6	31	32	33	34	35	36

к = 1,38.10^-23 ∂ж/град ; h = 6,6.10^-34 ∂ж.сек; n₀ = 1.10¹⁶ см^-3

Порядок выполнения работы

1. Описать механизм возникновения фотопроводимости и технологию изготовления фоторезистора;

2. по ( 3 ) определить _гр

3. по ( 1 ) определить коэффициент усиления 

4. по ( 12 ) рассчитать фототок I_Ф;

5. по ( 13 ) определить чувствительность фоторезистора S_ф;

6. по ( 15 ) рассчитать значения тока ГР -шума;

7. по ( 16 ) рассчитать значения тока теплового шума

8. по ( 18 ) определить минимальную определяемую мощность фоторезистора

9. по ( 21 ) определить обнаружительную способность фоторезистора

Разработал Вигдорович Е.Н.

Определение основных характеристик фоторезисторов

(методическое пособие для курсовых и расчетных работ)

Фотоприемники - это полупроводниковые приборы, в которых под действием оптического излучения происходит изменение электрофизических параметров. Если это обусловлено образованием дополнительных носителей заряда в полупроводнике, то этот процесс называется внутренним фотоэффектом.

Одной из форм внутреннего фотоэффекта является фотопроводимость. В данном случае электронно-дырочные пары, создаваемые поглощенным оптическим излучением в полупроводнике, увеличивают его проводимость на время, равное их жизни, а прибор, работающий на этом принципе называется фоторезистор. Эффект фотопроводимости позволяет регистрировать оптические сигналы, если фоторезистор включить в цепь, имеющую нагрузку и источник питания.

Основным преимуществом фоторезисторов перед другими фотоприемниками является наличие внутреннего усиления под воздействием продольного электрического поля. Коэффициент усиления () можно рассчитать по уравнению

=/t (1 )

где  -время жизни носителей(с);

t-время пробега носителей(с).

t=L²/U ( 2 )

где L - длина фоторезистора(см);

 - подвижность носителей заряда(см²/Вс);

U - напряжение(В)

Для того, чтобы фотон оптического излучения создавал фотоносители необходимо выполнение очевидного энергетического соотношения E=h  E, а значит, учитывая, что h=hc₀/, собственный фотоэффект в полупроводнике возможен только при воздействии на него излучения с длиной волны _max, меньше значения

_гр=hc₀/E  1,23/E (мкм) (3)

где h - постоянная Планка;

c_{0 -} скорость света;

E- ширина запрещенной зоны (эВ).

Большинство фоторезисторов изготавливаются на основе полупроводниковых халькогенидов. В качестве центров чувствительности в них используют атомы меди, которые создавая в этих материалах акцепторные уровни резко снижают проводимость и повышают время жизни электронов в зоне проводимости.. Активным элементом фоторезистора является полупроводниковая пленка, которую получают методом спекания или методом вакуумного напыления.

При спекании, из смеси порошка полупроводникового соединения с хлористым кадмием ( в случае халькогенидов кадмия) и присадкой активирующей примеси CuCl₂ приготавливается водно-спиртовая суспензия, которая путем пульверизации наноситься на подложку. После прокаливания на воздухе осуществляется напыление омических контактов. Необходимый рисунок фоторезистивного слоя, толщина которого обычно 10-50мкм, создают применяя соответствующие маски.

При вакуумном напылении на подложку наноситься тонкий(5-10мкм) слой фоточувствительного материала. Затем полученная пленка прокаливается на воздухе под слоем порошка, содержащего медь и хлор, и на нее напыляются контактные площадки. В данном случае может быть использован современная фотолитография.

При поглощении монохроматического света в полупроводнике его интенсивность убывает по экспоненциальному закону

I= I₀exp(-x) ( 4 )

где - коэффициент поглощения

I₀- общее число квантов, падающих на поверхность.

Следовательно, число квантов, поглощенных в слое dx

-dI/dx =Idx ( 5 )

Коэффициент  зависит от механизма поглощения. Так как некоторые механизмы поглощения не связаны с генерацией носителей заряда ( например, на свободных носителях, на тепловых колебаниях решетки и пр.), то это учитывается введением коэффициента квантового выхода η.

При отсутствии освещения можно рассчитать проводимость фоторезистора (G₀)

G₀ = e μ n₀ d w / L ( 6 )

где - e – заряд электрона (А сек )

μ – подвижность электронов (см²/В сек)

n₀ - равновесная концентрация электронов (см^-3)

d – толщина фоторезистора (см )

w – ширина фоторезистора (см )

L – длина фоторезистора (см²)

и соответственно ток

I₀ = U G₀ ( 7 )

При падении излучения на поверхность фоторезистора в нем генерируются носители вследствие возникновения либо межзонных переходов (собственное возбуждение), либо переходов с участием энергетических примесных уровней ( примесное возбуждение), что приводит к увеличению проводимости. Для тонких слоев и в случае однородного поглощения скорость генерации носителей при освещении фоторезистора равна

Q = η α Q₀ ( 8 )

где

Q₀ = P/ hν = Pλ / h c (см^-2 сек^-1) ( 9 )

P – поверхностная мощность падающего света, (Вт/см²);

λ - длина волны света, (см)

h – постоянная Планка (дж. сек)

c – скорость света (см/сек)

η - квантовый выход

α – коэффициент поглощения (см^-1)

Если возникающие носители обладают временем жизни τ , то в полупроводнике, например, электронного типа проводимости дополнительное количество электронов будет равно

Δn = Q τ (10)

При освещении произойдет изменение проводимости

G_Ф = e μ Δ n d w / L = e μ Q τ d w/ L ( 11 )

Если к фоторезистору приложено напряжение U то изменение тока при освещении составит

I_Ф = U G_Ф ( 12 )

Основной характеристикой фоторезистора является величина возникающего фототока (I_Ф ) и чувствительность.

Спектральная чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фоторезистора при подаче на его вход единичного оптического сигнала

S_Ф=I_ф/Р₀ (А/Вт) ( 13 )

где Р₀ = Р w L

Помимо полезного сигнала на выходе всегда имеет место хаотический сигнал - шум фотоприемника который усложняет процесс регистрации сигнала малой мощности.

Любой двухполюсник может быть представлен генератором тока и при этом среднеквадратичная флуктуация тока обусловленная генерационно-рекомбинационным (ГР) шумом неосвещенного образца равна

i_гр ² = 4 e F I₀ ( 14 )

где – F – ширина полосы пропускания (гц, сек^-1) (всегда 1 гц)

и с учетом ( 7 )

i_гр ² = 4 e² F Uμ n₀ d w / L ( 15 )

Тепловой шум существует в любом проводнике. Причиной его является хаотическое движение носителей тока. Среднеквадратичная флуктуация обусловленная тепловым шумом равна

i_Т² = 4kTF G_Ф ( 16 )

где k - константа Больцмана (дж/град);

T - температура, К

и с учетом ( 11 )

i_Т² = 4kTF e μ Q τ d w/ L ( 17 )

В реальных фотодетекторах чувствительность зависит от ГР и теплового шума. При увеличении напряжения вклад теплового шума становиться меньше и чувствительность увеличивается до тех пор, пока ГР-шум не начинает преобладать над тепловым шумом, при условии, что такая точка достижима без разрушения прибора.

Зная значение лимитирующего шума можно определить минимальную обнаружительную мощность излучения

P_мин = i_шум U ( 18 )

На практике обычно используется эквивалентная мощность шума NEP

NEP = P_мин / (F)^1/2 ( 19 )

и обнаружительная способность D^*

D^* = √(A) / NEP ( 20 )

где А – площадь поверхности фоторезистора