Фотопроводимость. Преобразователи, датчики

Фотоэффекты, свет

Фотопроводимость

В то время как в металлах - проводимость наблюдается при различных температурах, проводимость полупроводников в обычных условиях возникает только благодаря тепловому движению. Однако можно создать такие условия, которые обеспечивают появление проводимости в полупроводнике и без повышения его температуры. Так как электропроводность полупроводника возникает лишь вследствие того, что электроны попадают в зону проводимости, то достаточно сообщить электронам энергию, необходимую для переброса их в свободную зону, чтобы возникла проводимость. Эту энергию в обычных условиях электроны получают от участвующих в тепловом движении других частиц, но энергия может тоже поступить извне, в частности, например, в виде излучения.

Еще в прошлом столетии было обнаружено, что сопротивление селеновой палочки резко меняется в зависимости от ее освещения. Тщательные исследования показали, что сопротивление селена уменьшается при освещении.

Позднее удалось установить, что этим свойством обладает не только селен, но и некоторые другие полупроводники. Появление квантомеханических представлений дало возможность объяснить это явление, получившее в науке название фотопроводимости или внутреннего фотоэффекта.

Физическая природа фотопроводимости заключается в следующем. При некоторой температуре в затемненном полупроводнике какое-то число электронов n находится в свободной зоне. Эти электроны обусловливают обычную электропроводность вещества, иначе называемую темновой. Если после этого полупроводник будет подвергнут освещению, то в свободной зоне, помимо уже существовавших там ранее темновых электронов, появится новое число n1 световых электронов и общее число электронов в зоне станет равным n + n1 Электропроводность в связи с этим возрастет и станет равной

σ = пеU + п1еU1,

где первое слагаемое отвечает темновой проводимости, а второе - фотопроводимости.

Из самых общих представлений о природе полупроводников становится совершенно ясной причина появления в свободной зоне фотоэлектронов. Несомненно, что поставщиком как темновых, так и световых электронов у беспримесного полупроводника является заполненная зона. Понятно, что и те и другие электроны попали в свободную зону лишь потому, что получили энергию, необходимую им для преодоления запрещенной зоны

"шириной" ΔE. Следовательно, фотопроводимость возникла за счет того, что падающие на поверхность полупроводника и поглощенные им фотоны отдали фотоэлектронам всю свою энергию. Каждый фотон несет энергию hν. Если эта энергия по величине больше энергии ΔЕ или, по крайней мере, равна ей, то электрон из заполненной зоны сможет перейти в зону проводимости. Отсюда вытекает непременное следствие: фотопроводимость возможна тогда, когда hν > ΔЕ. Таким образом, для каждого фоточувствительного вещества существует своя граница фотопроводимости, отвечающая условию

hνo = ΔЕ.

Если частота ν падающего на полупроводник излучения меньше νo, то фотопроводимость не возникает.

Только излучение с частотой ν > νo способно создать фотопроводимость.

Граница фотоэффекта, т. е. величина νo, зависит от самого полупроводника, в котором наблюдается фотоэффект, от того, беспримесный он или нет.

Фотопроводимость, или внутренний фотоэффект, возникает далеко не во всех полупроводниках. Независимо от этого непременным условием появления фотопроводимости является поглощение веществом падающего на него излучения. Только в этом случае может в принципе возникнуть фотоэффект.

Опытами советских физиков было установлено, что по своему поведению фотоэлектроны ничем не отличаются от тепловых электронов вплоть до практически полного совпадения их подвижностей.

Тщательное изучение внутреннего фотоэффекта показало, что изменение сопротивления в разных веществах возникает под действием излучения различного спектрального состава: у одних веществ оно наблюдается тогда, когда вещество освещено ультрафиолетовыми лучами, у других - при освещении видимыми или инфракрасными лучами.

Освобожденные светом электроны в течение очень короткого промежутка времени находятся в свободной зоне. За это время они блуждают в межатомных промежутках и при наличии разности потенциалов между двумя точками полупроводника перемещаются преимущественно в одном направлении, образуя, таким образом, электрический ток. Затем фотоэлектроны переходят на более низкие уровни примесей или же в заполненную зону. Однако при непрерывном освещении полупроводника появляются все новые и новые фотоэлектроны, и за это же время какое-то их число возвращается назад. В результате устанавливается динамическое равновесие, т. е. число возникающих фотоэлектронов становится равным числу электронов, возвращающихся обратно.

В свободном состоянии фотоэлектроны находится чрезвычайно малое время (порядка от 10^-3 до 10^-7 сек.). Но в этот короткий промежуток времени жизни они являются полноценными электронами проводимости. Полупроводниковые вещества значительно повышают свою электропроводность не только под действием излучения. Любая другая частица, попадающая в атом и отдающая при этом электрону всю свою энергию, в принципе способна перевести электрон в свободное состояние. И действительно, многочисленные, неоднократно повторенные опыты показали, что проводимость возникает и в том случае, когда поверхность вещества бомбардируется быстрыми электронами, альфа-частицами, протонами, дейтонами и другими частицами. Понятно, что для этого энергия бомбардирующей частицы должна быть больше энергии перевода электрона в свободное состояние.

В полупроводниках концентрация электронов проводимости при комнатной температуре значительно меньше, чем у металлов, а число появляющихся под действием света фотоэлектронов относительно велико. При соответствующем освещении в некоторых веществах, как, например, в сернистом кадмии (CdS), число фотоэлектронов может на четыре порядка превышать число темновых электронов проводимости. В других же менее фоточувствительных веществах число фотоэлектронов даже не при слишком интенсивном излучении может достигать 20-30% от общего числа электронов проводимости. Это свойство некоторых полупроводников делает их весьма важными и необходимыми материалами.

русский / english

Главная >> Фотоэффекты, свет. Фотопроводимость

Фотопроводимость

Фото ект запорного слоя

Солнечная батарея

Селеновые фотоэлементы

Селеновые фотосопротивления

Болометры

• Фотопроводимость

• Фотоэффект запорного слоя

• Солнечная батарея

• Болометры