Реферат: Фоторезисторы

Содержание

1.1.

1.2.

2.1.

2.1.1.

2.1.2.

2.1.3.

2.2.

2.3.

2.3.1.

2.3.2.

Введение

Литературный обзор

Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

Фотопроводимость. Фоторезистивный эффект

Основная часть

Фоторезисторы

Конструкция и схема включения фоторезистора. Темновой и световой ток

Характеристики фоторезисторов

Параметры фоторезисторов

Изготовление фоторезисторов

Применение фоторезисторов

Регистрация оптического излучения

Полупроводниковый фотодетектор

Заключение

Литература

Приложения

Введение

Оптическиеи фотоэлектрические явления в полупроводниках

В современной электроннойтехнике широко используются полупроводниковые приборы, основанные на принципахфотоэлектрического и электрооптического преобразования сигналов. Первый из этихпринципов обусловлен изменением электрофизических свойств вещества в результатепоглощения в нем световой энергии (квантов света). При этом изменяетсяпроводимость вещества или возникает э. д. с., что приводит к изменениям тока вцепи, в которую включен фоточувствительный элемент. Второй принцип связан сгенерацией излучения в веществе, обусловленной приложенным к нему напряжением ипротекающим через светоизлучающий элемент током. Указанные принципы составляютнаучную основу оптоэлектроники –нового научно-технического направления, в котором для передачи, обработки ихранения информации используются как электрические, так и оптические средства иметоды.

Все многообразие оптическихи фотоэлектрических явлений в полупроводниках можно свести к следующимосновным:

– поглощение света ифотопроводимость;

– фотоэффект в p-n переходе;

– электролюминесценция;

– стимулированноекогерентное излучение.

Фотопроводимость.Фоторезистивный эффект

Явлением фотопроводимости называется увеличениеэлектропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения.

При освещении полупроводникав нем происходит генерация электронно-дырочных пар за счет переброса электроновиз валентной зоны в зону проводимости. Вследствие этого проводимостьполупроводника возрастает на величину

D

s= e(mn Dni + mp Dpi), (1)

где e – заряд электрона; m

n – подвижность электронов; mp – подвижность дырок; Dni – концентрация генерируемых электронов;Dpi – концентрация генерируемыхдырок.

Поскольку основнымследствием поглощения энергии света в полупроводнике является переводэлектронов из валентной зоны в зону проводимости, т.е. междузонный переход, тоэнергия кванта света фотона должна удовлетворять условию

hn

кр³DW, (2)

где h – постоянная Планка; D

W – ширина запрещенной зоны полупроводника; nкр– критическая частотаэлектромагнитного излучения (красная граница фотопроводимости).

Излучение с частотой n

< nкр не может вызватьфотопроводимость, так как энергия кванта такого излучения hn< DW недостаточна для переводаэлектрона из валентной зоны в зону проводимости. Если же hn> DW, то избыточная относительно ширинызапрещенной зоны часть энергии квантов передается электронам в видекинетической энергии.

Критической частоте n

крсоответствует граничнаядлина волны

l

гр = с / nкр, (3)

где с — скорость света (3·

108м/с). При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Так,для германия граничная длина волны составляет примерно 1.8 мкм. Однако спадфотопроводимости наблюдается и в области малых длин волн. Это объясняетсябыстрым увеличением поглощения энергии с частотой и уменьшением глубиныпроникновения падющей на полупроводник электромагнитной энергии. Поглощениепроисходит в тонком поверхностном слое, где и образуется основное количествоносителей заряда. Появление большого количества избыточных носителей только уповерхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника, таккак скорость поверхностной рекомбинации больше объемной и проникающие вглубьнеосновные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объемеполупроводника.

Фотопроводимостьполупроводников может обнаруживаться в инфракрасной, видимой илиультрафиолетовой частях электромагнитного спектра в зависимости от ширинызапрещенной зоны, которая, в свою очередь, зависит от типа полупроводника,температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля.

Рассмотренный механизмпоглощения света, приводящий к появлению свободных носителей заряда вполупроводнике, называют фотоактивным. Поскольку при этом изменяетсяпроводимость, а следовательно, внутреннее сопротивление полупроводника, указанноеявление было названо фоторезистивнымэффектом. Основное применение фоторезистивный эффект находит всветочувствительных полупроводниковых приборах – фоторезисторах, которые широко используются в современнойоптоэлектронике и фотоэлектронной автоматике.

Фоторезисторы

Конструкцияи схема включения фоторезистора. Темновой и световой ток

Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется поддействием света.

Конструкциямонокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 1, 2приложения. Основным элементом фоторезистора является в первом случаемонокристалл, а во втором – тонкая пленка полупроводникового материала.

Если фоторезистор включенпоследовательно с источником напряжения (рис. 3 приложения) и не освещен, то вего цепи будет протекать темновой ток

Iт= E / (Rт + Rн), (4)

где Е – э. д. с. источникапитания; Rт – величина электрического сопротивления фоторезистора втемноте, называемая темновым сопротивлением;Rн – сопротивление нагрузки.

При освещении фоторезистораэнергия фотонов расходуется на перевод электронов в зону проводимости.Количество свободных электронно-дырочных пар возрастает, сопротивлениефоторезистора падает и через него течет световойток

Iс= E / (Rс + Rн). (5)

Разность между световым итемновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости

Iф= Iс – Iт. (6)

Когда лучистый поток мал,первичный фототок проводимости практически безынерционен и изменяется прямопропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По меревозрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости.Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их исоздают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости.Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости.В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительноизменений светового потока, что определяет некоторую инерционностьфоторезистора.

Характеристикифоторезисторов

Основными характеристикамифоторезисторов являются:

Вольтамперная,характеризующая зависимость фототока (при постоянном световом потокеФ) или темнового тока от приложенного напряжения. Для фоторезисторов этазависимость практически линейна (рис. 4 приложения). Закон Ома нарушается вбольшинстве случаев только при высоких напряжениях на фоторезисторе.

Световая (люксамперная), характеризующая зависимость фототока от падающегосветового потока постоянного спектрального состава. Полупроводниковыефотрезисторы имеют нелинейную люксамперную характеристику (рис. 5 приложения).Наибольшая чувствительность получается при малых освещенностях. Это позволяетиспользовать фоторезисторы для измерения очень малых интенсивностей излучения.При увеличении освещенности световой ток растет примерно пропорционально корнюквадратному из освещенности. Наклон люксамперной характеристики зависит отприложенного к фоторезистору напряжения.

Спектральная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на негопотока излучения постоянной мощности определенной длины волны. Спектральнаяхарактеристика определяется материалом, используемым для изготовлениясветочувствительного элемента. Сернисто-кадмиевые фоторезисторы имеют высокуючувствительность в видимой области спектра, селенисто-кадмиевые – в красной, асернисто-свинцовые – в инфракрасной (рис. 6 приложения).

Частотная, характеризующая чувствительность фоторезистора при действии на негосветового потока, изменяющегося с определенной частотой. Наличие инерционностиу фоторезисторов приводит к тому, что величина их фототока зависит от частотымодуляции падающего на них светового потока – с увеличением частоты световогопотока фототок уменьшается (рис. 7 приложения). Инерционность оганичиваетвозможности применения фоторезисторов при работе с переменными световымипотоками высокой частоты.

Параметрыфоторезисторов

Основные параметрыфоторезисторов:

Рабочее напряжение Uр – постоянное напряжение, приложенное к фоторезистору, прикотором обеспечиваются номинальные параметры при длительной его работе в заданныхэксплуатационных условиях (как правило, от 1 до 1000 в).

Максимально допустимое напряжение фоторезистора Umax –максимальное значение постоянного напряжения, приложенного к фоторезистору, прикотором отклонение его параметров от номинальных значений не превышаетуказанных пределов при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях.

Темновое сопротивление Rт – сопротивление фоторезистора вотсутствие падающего на него излучения в диапазоне его спектральной чувствительности(варьирует в обычных приборах от 1000 до 100000000 ом).

Световое сопротивление Rс – сопротивление фоторезистора,измеренное через определенный интервал времени после начала воздействияизлучения, создающего на нем освещенность заданного значения.

Кратность изменения сопротивления KR – отношение темновогосопротивления фоторезистора к сопротивлению при определенном уровнеосвещенности (световому сопротивлению).

Допустимая мощность рассеяния– мощность, при которой не наступает необратимыхизменений параметров фоторезистора в процессе его эксплуатации.

Общий ток фоторезистора– ток, состоящий из темнового тока и фототока.

Фототок– ток, протекающий через фоторезистор при указанном напряжении на нем,обусловленный только воздействием потока излучения с заданным спектральнымраспределением.

Удельная чувствительность – отношение фототока к произведению величиныпадающего на фоторезистор светового потока на приложенное к нему напряжение,мкА / (лм ·

В)

К0= Iф / (ФU), (7)

где Iф – фототок,равный разности токов, протекающих по фоторезистору в темноте и приопределенной (200 лк) освещенности, мкА; Ф – падающий световой поток, лм; U –напряжение, приложенное к фоторезистору, В.

Интегральная чувствительность – произведение удельной чувствительности на предельноерабочее напряжение Sинт = К0Umax.

Постоянная времени t

ф– время, в течение которогофототок изменяется на 63%, т. е. в e раз. Постоянная времени характеризует инерционностьприбора и влияет на вид его частотной характеристики.

При включении и выключениисвета фототок возрастает до максимума (рис. 8 приложения) и спадает до минимумане мгновенно. Характер и длительность кривых нарастания и спада фототока вовремени существенно зависят от механизма рекомбинации неравновесных носителей вданном материале, а также от величины интенсивности света. При малом уровнеинжекции нарастание и спад фототока во времени можно представить экспонентами спостоянной времени t

, равной времени жизниносителей в полупроводнике. В этом случае при включении света фототок iф будет нарастать и спадать во времени по закону

iф= Iф (1 – e–t / t

); iф = Iф e– t / t, (8)

где Iф –стационарное значение фототока при освещении.

По кривым спада фототока вовремени можно определить время жизни t

неравновесных носителей.

Изготовлениефоторезисторов

В качестве материалов дляфоторезисторов широко используются сульфиды, селениды и теллуриды различныхэлементов, а также соединения типа AIIIBV. В инфракраснойобласти могут быть использованы фоторезисторы на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb,в области видимого света и ближнего ультрафиолета – CdS.

Применениефоторезисторов

В последние годыфоторезисторы широко применяются во многих отраслях науки и техники. Этообъясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малымигабаритами и значительной допустимой мощностью рассеяния. Значительный интереспредставляет использование фоторезисторов в оптоэлектронике.

Регистрацияоптического излучения

Для регистрации оптическогоизлучения его световую энергию обычно преобразуют в электрический сигнал,который затем измеряют обычным способом. При этом преобразовании обычноиспользуют следующие физические явления:

– генерацию подвижныхносителей в твердотельных фотопроводящих детекторах;

– изменение температурытермопар при поглощении излучения, приводящее к изменению термо-э. д. с.;

– эмиссию свободныхэлектронов в результате фотоэлектрического эффекта с фоточувствительных пленок.

Наиболее важными типамиоптических детекторов являются следующие устройства:

– фотоумножитель;

– полупроводниковыйфоторезистор;

– фотодиод;

– лавинный фотодиод.

Полупроводниковыйфотодетектор

Схема полупроводниковогофотодетектора приведена на рис. 9 приложения. Полупроводниковый кристаллпоследовательно соединен с резистором R и источником постоянного напряжения V. Оптическая волна, которую нужнозарегистрировать, падает на кристалл и поглощается им, возбуждая при этомэлектроны в зону проводимости (или в полупроводниках p-типа – дырки в валентную зону). Такое возбуждение приводит куменьшению сопротивления Rd полупроводникового кристалла и,следовательно, к увеличению падения напряжения на сопротивлении R, которое при D

Rd / Rd << 1пропорционально плотности падающего потока. В качестве примера рассмотримэнергетические уровни одного из наиболее распространенных полупроводников –германия, легированного атомами ртути. Атомы Hg в германии являются акцепторамис энергией ионизации 0.09 эВ. Следовательно, для того, чтобы поднять электрон сверхнего уровня валентной зоны и чтобы атом Hg (акцептор) сумел захватить его,необходим фотон с энергией по крайней мере 0.09 эВ (т. е. фотон с длиной волныкороче 14 мкм). Обычно кристалл германия содержит небольшое количество NDдонорных атомов, которым при низких температурах энергетически выгодно отдаватьсвои валентные электроны большому количеству NA акцепторных атомов.При этом возникает равное количество положительно ионизированных донорных иотрицательно ионизированных акцепторных атомов. Так как концентрация акцепторовNA >> ND, большинство атомов-акцепторов остаетсянезаряженным.

Падающий фотон поглощается ипереводит электрон из валентной зоны на уровень атома-акцептора, как этопоказано на рис. 10 приложения (процесс А). Возникающая при этом дырка движетсяпод действием электрического поля, что приводит к появлению электрическоготока. Как только электрон с акцепторного уровня возвращается обратно ввалентную зону, уничтожая тем самым дырку (процесс B), ток исчезает. Этотпроцесс называется электронно-дырочнойрекомбинацией или захватом дырки атомом акцептора.

Выбирая примеси с меньшейэнергией ионизации, можно обнаружить фотоны с более низкой энергией.Существующие полупроводниковые фотодетекторы обычно работают на длинах волнвплоть до l

»32 мкм.

Из сказанного следует, чтоглавным преимуществом полупроводниковых фотодетекторов по сравнению сфотоумножителями является их способность регистрировать длинноволновоеизлучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано спреодолением значительного поверхностного потенциального барьера. Недостаткомже их является небольшое усиление по току. Кроме того, для того чтобыфотовозбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковыефотодетекторы приходится охлаждать.

Заключение

В этой курсовой работе мырассмотрели устройство, принцип действия и основные свойства полупроводниковыхфоторезисторов, а также принцип действия построенных на их основефотодетекторов.

Списоклитературы

1.

Гершунский Б. С. Основы электроники и микроэлектроники. – К.: Вища школа. 1989.– 423 с.

2.

Практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам; под ред. К. В.Шалимовой. – М.: Высшая школа. 1968. – 464 с.

3.

Федотов Я. А. Основы физики полупроводниковых приборов. – М.: Советское радио. 1970. – 591 с.

4.

Yariv A. Introduction To Optical Electronics. – М.: Высшаяшкола. 1983. – 400 с.

5.

Kittel C. Introduction To <st1:place w:st=«on»><st1:PlaceName w:st=«on»>Solid</st1:PlaceName> <st1:PlaceType w:st=«on»>State</st1:PlaceType></st1:place> Physics, 3d Ed. – <st1:State w:st=«on»><st1:place w:st=«on»>New York</st1:place></st1:State>: Wiley, 1967. –p. 38.

6.

Kittel C. Elementary <st1:place w:st=«on»><st1:PlaceName w:st=«on»>Solid</st1:PlaceName> <st1:PlaceType w:st=«on»>State</st1:PlaceType></st1:place> Physics. – <st1:State w:st=«on»><st1:place w:st=«on»>New York</st1:place></st1:State> – <st1:City w:st=«on»><st1:place w:st=«on»>London</st1:place></st1:City>: Wiley, 1962.

Приложение

еще рефераты

Еще работы по радиоэлектронике

Реферат по радиоэлектронике

Разработка средств оценки эффективности алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Расчетные работы по электротехнике

29 Августа 2013

Реферат по радиоэлектронике

Оптико-электронные системы

25 Июня 2015

Реферат по радиоэлектронике

СВЧ тракт приёма земной станции спутниковой системы связи

25 Июня 2015