Приемников излучения

В основе работы большинства фотоприемников лежит принцип внутреннего фотоэффекта или фотопроводимости. При освещении полупроводника светом из области собственного поглощения в нем происходит генерация электронно-дырочных пар, что увеличивает проводимость на величину

∆σ = q(μ_n∆n + μ_p∆p). (6.1)

В стационарных условиях концентрация неравновесных носителей равна ∆n = k∙β∙Ф∙τ_n, ∆p = k∙β∙Ф∙τ_p, где Ф – интенсивность света, k – коэффициент поглощения, β – квантовый выход, τ_n и τ_p – эффективное время жизни электронов и дырок. Тогда

∆σ = q∙k∙β∙Ф∙(μ_nτ_n + μ_pτ_p). (6.2)

Рассмотрим собственное поглощение. Если энергия кванта hν превышает ширину запрещенной зоны E_g, то коэффициент поглощения k резко увеличивается с ростом hν. Зависимость k(hν) для Ge приведена на рис. 6.1. Поглощение начинается при hν > 0,65 эВ сначала за счет непрямых переходов электронов из валентной зоны в минимум зоны проводимости в направлении [111]. При hν > 0,8 эВ начинаются прямые переходы. Это соответствует резкому росту k, так как вероятность прямых переходов выше, чем непрямых.

Рис. 6.1. Зависимость коэффициента поглощения от энергии квантов для Ge при 20 °С

Зависимость β(hν) для Ge приведена на рис. 6.2. При hν < E_g β → 0, при hν > E_g β = 1. При больших энергиях кванта (для Gе hν > 3 эВ) электрон, перешедший в зону проводимости, обладает энергией, превышающей Е_g, и он может передать часть энергии электрону из валентной зоны и перевести его в зону проводимости. Возникает процесс умножения электронов, при котором β > 1.

Рис. 6.2. Зависимость квантового выхода от энергии квантов для Ge при 27 °С

В соответствии с приведенными зависимостями при hν>E_g происходит и рост фотопроводимости с увеличением энергии света (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Спектральная характеристика фотопроводимости

Небольшая фотопроводимость при hν < E_g происходит из-за тепловых колебаний кристаллической решетки, которые приводят к флуктуации энергии электрона и величины Е_g. Фотопроводимость с ростом hν достигает максимума, а затем падает. Причина заключается в уменьшении эффективного времени жизни неосновных носителей с ростом k. Эффективное время жизни неосновных носителей

= + , (6.3)

где τ₀ – объемное время жизни; τ_s – время жизни, обусловленное рекомбинацией на поверхности.

На поверхности скорость рекомбинации выше, чем в объеме. При увеличении поглощения с ростом hν растет и поверхностная рекомбинация, что приводит к уменьшению фотопроводимости. Длинноволновый край фотопроводимости определяется из условия

λ(мкм) = 1,24/Е_g(эВ). (6.4)

Зависимость фотопроводимости от интенсивности света Ф при малых интенсивностях линейна. С ростом Ф происходит изменение заполнения рекомбинационных центров, и время жизни неравновесных носителей изменяется. В зависимости от свойств рекомбинационных центров и температуры τ может как возрастать, так и убывать. Обычно время жизни убывает, поэтому рост фототока замедляется, а люкс-ампер-ная характеристика становится сублинейной – рис. 6.4.