Край спектра поглощения полупроводника λ_гр может смещаться в длинноволновую сторону при приложении электрического поля; это явление известно как эффект Келдыша - Франца. Действие электрического поля приводит к наклону энергетических зон в пространстве, так что при энергии квантов hv<E_g электрон может оторваться от атома вследствие туннелирования между состояниями валентной зоны и зоны проводимости, разделенными в кристалле малым расстоянием Δχ (рисунок 1.3). Расчет показывает, что ширина запрещенной зоны уменьшается пропорционально квадрату напряженности электрического поля; этот сдвиг для арсенида галлия около 10^-15 эВ∙В^-2 ∙см^-2 . При реально достижимых электрических полях удается сместить край поглощения на несколько сотых долей электрон-вольта, что по абсолютной величине мало, но может приводить к изменению коэффициента поглощения на три порядка. Эффект Келдыша - Франца используется для создания высокоскоростных модуляторов света.

Рисунок 1.3 - Энергетическая диаграмма полупроводника при воздействии сильного электрического поля и квантовый переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, иллюстрирующий эффект Келдыша-Франца

Примесное поглощение (примесная фотопроводимость) имеет место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной пары, но ее достаточно, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуется свободный электрон и связанная дырка или свободная дырка и связанный электрон (см. рисунок 1.1). Первое отличие примесной фотопроводимости от собственной состоит в меньшей энергии поглощаемых квантов; для очень мелких акцепторных и донор-ных уровней энергия этих квантов может быть в десятки и сотни раз меньше E_g . В этой связи примесная фотопроводимость открывает широкие возможности создания фотоприемников ИК-диапазона (включая дальний ИК- и субмиллиметровый радиодиапазон).

Второе отличие состоит в том, что примесное поглощение ведет к генерации лишь одного типа носителей - электронов или дырок, и третье - в том, что эффективность примесного поглощения значительно меньше, чем собственного: в типичных случаях концентрация примесных атомов значительно меньше (на 6-8 порядков), чем атомов самого полупроводника. Отсюда следует, что для реализации поглощения на примесях необходимо использовать полупроводники большой толщины, а это всегда ведет к нежелательному увеличению длительности релаксационных процессов. Таким образом, примесное поглощение следует использовать лишь в тех случаях, когда не удается подобрать полупроводник с собственным поглощением в той же области спектра. Длинноволновая граница примесного фотоэффекта также определяется формулой (1.4), если в ней Е_g заменить на энергетический зазор между примесным центром и разрешенной зоной, с которой осуществляется обмен носителями заряда.

Кроме рассмотренных собственного и примесного поглощений имеется еще несколько механизмов взаимодействия квантов излучения с веществом, проявляющихся в фотоэффекте. Прежде всего необходимо отметить поглощение на свободных носителях заряда. Это приводит к перемещению носителя внутри разрешенной зоны на более высокий энергетический уровень, т. е. к так называемому разогреву носителей (например, электронов в зоне проводимости). Если обмен энергией между «горячим» электроном и зоной осуществляется быстро, то эта избыточная энергия переходит в тепло и фактически поглощенные таким образом кванты вклада в фотоэффект не дают. При типичных значениях Е_g ≈ 1эВ поглощение на свободных носителях может стать заметным на фоне собственного поглощения лишь при концентрациях носителей не менее 10¹⁹ – 10²⁰ см^-3 , т. е. вотносительно редких случаях. Если каким-то образом обмен энергией между «горячими» электронами и кристаллической решеткой замедлить (например, путем глубокого охлаждения), то это приведет к тому, что их подвижность будет отличной от подвижности обычных электронов проводимости. Это значит, что согласно (рисунок 1.1) изменится и проводимость образца. Подобный эффект, известный как μ- фотопроводимость, может использоваться для создания неизбирательных фотоприемников дальнего ИК-диапазона; в оптоэлектронике реального применения он не находит.

Другой важный механизм - экситонное поглощение, в процессе которого электрон и дырка приходят в возбужденное состояние, но остаются связанными друг с другом силами кулоновского взаимодействия в водородоподобном состоянии, т.е. в форме экситона. Энергия образования экситона примерно на 3-6 мэВ меньше ширины запрещенной зоны, что обусловливает поглощение в области более длинноволновой, чем у собственного поглощения. Кулоновское притяжение между возбуждаемыми носителями заряда влияет на переходы зона - зона и в том случае, когда носители образуются несвязанными. При достаточно больших концентрациях свободных носителей кулоновские поля экранируются на очень малых расстояниях и экситоны не образуются. Несмотря на то, что экситоны могут перемещаться по кристаллу, фотопроводимость при этом не возникает, так как электрон и дырка движутся вместе. Практически экситонное поглощение фотонов проявляется лишь в высокоомных полупроводниках в виде тонкой структуры спектра слева и справа от λ_гр .

Итак, при поглощении фотонов в полупроводнике (и в твердом теле вообще) имеют место квантовые электронные переходы, часть из которых (собственное и примесное поглощение) приводит к образованию избыточной концентрации свободных носителей заряда, а часть (экситонное, фононное поглощение и поглощение на свободных носителях) в конечном счете приводит лишь к разогреву кристалла.

Возникновение свободных носителей заряда под действием излучения составляет основу различных фотоэлектрических эффектов. В оптоэлектронике находят применение две формы проявления этих эффектов: фотопроводимость - увеличение проводимости материала, появление добавочной составляющей проводимости под действием излучения (наблюдается в однородных достаточно протяженных полупроводниковых образцах) и фотовольтаический эффект, возникающий при воздействии излучения на структуры со встроенным потенциальным барьером (р-n-переход, барьер Шотки и т. д.). Образующиеся носители заряда - электроны и дырки - «растаскиваются» встроенным полем в разные стороны от границы, вследствие чего возникает дополнительная, наведенная фото-ЭДС - высота имеющегося потенциального барьера уменьшается. Если разнотипные области выпрямляющей структуры замкнуты внешней электрической цепью, то под действием фото-ЭДС по этой цепи начинает протекать ток и имеет место эффект возбуждения фототока. Явления возникновения фотопроводимости, фото-ЭДС, фототока образуют «физический фундамент», на котором основано действие большинства фотоприемников. Поглощенное излучение, приводящее к разогреву полупроводника, с точки зрения задач оптоэлектроники теряется бесполезно.[2]

2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1 Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрические преобразователи по основному своему назначению основаны на принципе преобразования излучения оптического диапазона в электрический сигнал. Оптический диапазон занимает область спектра электромагнитных излучений от глубокого ультрафиолетового (от 0,01 мкм) до дальнего инфракрасного излучения (до 1000 мкм) (рисунок 2.1).

Это излучение может быть как собственным излучением исследуемого объекта, так и отраженным или рассеиваемым его поверхностью, или частично поглощенным, если тело полупрозрачно. Ряд фотоэлектрических преобразователей использует принцип прерывания. Интервалы засветки прерывания освещенности являются в этом случае информативным параметром изучаемого процесса.

Рисунок 2.1 – Спектр оптического излучения

Преобразователи собственного излучения исследуемых объектов принято называть пассивными. Такие преобразователи позволяют оценивать энергетические, спектральные, фазовые, поляризационные характеристики изучаемого излучения.

Преобразователи, построенные на принципе преобразования излучения от внешнего источника, взаимодействующего с исследуемым объектом, называют активными. В качестве внешних источников в активных преобразователях используются светодиоды, твердотельные и полупроводниковые лазеры. В последнее время в сочетании с волоконными элементами начали использоваться волоконно-оптические лазеры.

Таким образом, специфической функцией фотоэлектрических преобразователей является преобразование оптического излучения в электрический сигнал. Эта функция выполняется разнообразными приемниками излучения, которые в основном относятся к двум группам - собственно фотоэлектрическим и тепловым.

К фотоэлектрическим относятся приемники с внешним и внутренним фотоэффектами.

Группу приемников с внешним фотоэффектом составляют вакуум- газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Исторически были первыми практическими фотоэлектрическими преобразователями созданы во времена развития вакуумной электроники, имели кислотно-цезиевый или сурмяно-цезиевый фотокатод. Однако при бесспорных достоинствах этой группы преобразователей - высокая чувствительность (фотоумножители, газонаполненные фотоэлементы) и высокое быстродействие (вакуумные фотоэлементы и фотоумножители) - они обладают и бесспорными недостатками (необходимость высоких питающих напряжений и существенные габариты), что делает предпочтительным использование в современных датчиках полупроводниковых фотоприемников с внутренним фотоэффектом.

Простейшим представителем этой группы фотоэлементов являются фоторезисторы, действие которых основано на зависимости их фотопроводимости от интенсивности и спектрального состава падающего на них излучения. Технологически фоторезисторы формируются в виде поликристаллических пластинок.

Большой селективностью и избирательной чувствительностью характеризуются монокристаллические фоторезисторы. Охлаждение фоторезисторов повышает их чувствительность в сторону длинноволнового излучения.

Зависимость фототока в цепи фоторезистора нелинейна, причем нелинейность зависит от освещенности. Постоянная времени прессованных резисторов наибольшая, у монокристаллических - наименьшая. С ростом освещенности инерционность уменьшается. Главным достоинством фоторезисторов является простота их устройства и низкая стоимость, главным недостатком - заметная инерционность (по сравнению с другими фотоэлектрическими преобразователями) и температурная и временная нестабильность.

Фотоэлектрические приемники, в которых под действием излучения возникает фото-ЭДС, называются вентильными фотоэлементами, или фотоэлементами с запорным слоем. Они выполняются на основе полупроводниковых р-n переходов и могут использоваться не только в вентильном, но и в диодном режиме - с внешним источником обратного напряжения, поданного на фотодиод. Структура фотодиода представлена на рисунке 2.2. На рисунке 2.3 представлены спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2) фотодиодов. Кремний и германий являются основными материалами для изготовления фотодиодов.

Рисунок 2.2 – Структура фотодиода

Рисунок 2.3 - Спектральные характеристики германиевого (1) и кремниевого (2) фотодиодов

Обратный ток кремниевых р-n переходов существенно меньше, чем германиевых. Поэтому порог чувствительности кремниевых фотодиодов порядка 10^-13 ... 10^-14 Вт/Гц^1/2 , германиевых - порядка 10^-12 Вт/Гц^1/2 . Кремниевые фотодиоды работают в более широком интервале температур.

В диодном режиме фотоприемники имеют существенные преимущества по сравнению с вентильным режимом (большее быстродействие, лучшая стабильность, больший динамический диапазон, большая чувствительность в ИК-области). Недостатком диодного режима является наличие темнового тока. На рисунке 2.4 представлены частотные характеристики кремниевых фотодиодов р-типа (а) в вентильном и диодном режиме и n-типа (б) в диодном режиме.