о о

/ ток фотокатода, равный Рис. 6.13. Энергетические зоны проводника

где Ф с7к\1 ппюс постоян- J изолятора (б) и полупроводника (е):

темповому току плюс постоян зона проводимости; 2-запрещенная

пая составляющая тока фотока- зона; 3 -валентная зона, тода; S - интегральная чувствительность ФЭУ.

Фоторезисторы. 11олупровод-никовые приборы, действие которых основано на явлении фотопроводимости, называют фоторезисторами. Явление фотопроводимости было открыто У. Смитом в 1873 г., заключается оно в изменении проводимости полупроводников под действием падающего на них излучения. Рассмотрим 8Т0 явление с точки зрения зонной теории твердого тела.

В твердом теле дискретные энергетические уровни, которые занимают электроны, образуют зоны. Наивысшую энергетическую зону, полностью заполненную электронами, называют валентной. Более высокую энергетическую зону, которая может быть и не заполненной электронами, называют зоной проводимости. Проводимость материала определяется электронами находящимися в зоне проводимости. В соответствии с квантовомеханически-ми условиями между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная энергетическая зона (рис. 6.13, а).

Проводник характеризуется частичным заполнением зоны проводимости; в изоляторе запрещенная энергетическая зона настолько широка (3 эВ и более), что энергия валентных электронов недостаточна для их перехода в зону проводимости, поэтому в ней отсутствуют электроны (рис. 6.13, б). Полупроводник занимает промежуточное положение между проводником и изолятором. В нем ширина запрещенной зоны настолько мала (доли электрон-вольта), что даже при комнатной температуре энергия некоторых велентных электронов достаточна для их перехода через запрещенную зону в зону проводимости (рис. 6.13, в). Состояния, ранее занятые этими электронами, называют дырками.

Под действием электрического или магнитного полей дырки могут перемещаться аналогично электронам, но в противоположном направлении. Следовательно, в чистом полупроводнике переход электрона в зону проводимости создает электронно-дырочную пару носителей заряда, повышающую проводимость. Этот вид проводимости называют собственной проводимостью.

Падающие на полупроводник фбтоны отдают свою энергию валентным электронам, которые переходят в зону проводимости и образуют электронно-дырочные пары, изменяющие проводимость полупроводника (явление фотопроводимости).

Пороговую длину волны Яо, за которой энергия фотона недостаточна для создания электронно-дырочной пары, называют длинноволновой границей и определяют следующим отношением: = 1.24/£запр мкм, где запр - ширина запрещенной зоны, эВ.

Приемники излучения с собственной проводимостью имеют ширину запрещенной зоны при комнатной температуре £запр > 0,18 эВ, поэтому для них Хо < 7 мкм. При охлаждении ширина запрещенной зоны уменьшается и длинноволновая граница приемника увеличивается. Такой же эффект может быть получен введением небольших количеств примесей других чистых полупроводников; этот процесс называют легированием, а полученные материалы-примесными полупроводниками.

Если примесный атом имеет меньшее количество валентных электронов, чем основной материал, то недостающие ковалентные связи обеспечиваются соседними атомами; в результате этого возникают дырки в валентной области, которые становятся зарядоносителями и образуют материал р-типа.

Примеси, приводящие к недостатку электронов, называют акцепторными, так как они акцептируют (забирают) электроны из основного материала.

Если примесный атом имеет большее количество валентных электронов, чем основной материал, то он действует как донор электронов и в результате образуется материал и-типа. Во всех приемниках инфракрасного излучения используют материал р-типа.

Для получения приемника, чувствительного в длинноволновой области, выбирают материал с узкой запрещенной зоной. Но чем уже запрещенная зона, тем больше носителей, возбужденных не фотонами, а термическим цутем. В первом приближении считают, что фоторезисторы, чувствительные к излучению с длиной волны до 3 мкм, не требуют охлаждения; в диапазоне 3...8 мкм необходимо умеренное охлаждение (до 77К), а для фоторезисторов, работающих в диапазоне 8...14 мкм, необходимо глубокое охлаждение (несколько Кельвинов).

Фоторезистор подключают к источнику питания последовательно с нагрузочным резистором. При облучении чувствительной площадки изменяется ее электрическое сопротивление; падение напряжения на нагрузочном резисторе представляет собой рабочий сигнал, который через емкостную связь подают в предусилитель.

Различают три группы фоторезисторов: пленочные, монокристаллические и легированные примесями. К первой группе относят сернисто-свинцовые (PbS), селенисто-свинцовые (PbSe) и теллур исто-свинцовые (РЬТе) фоторезисторы. Вторую группы составляют фоторезисторы из антимонида индия (InSb) и теллуридов ртути и кадмия (Hg CdTe); третью группу - фоторезисторы из германия (Ge), легированного различными примесями. Рассмотрим параметры и характеристики фоторезисторов в одноэлементном и многоэлементном исполнении.

а) Фоторезисторы на основе сульфида свинца (PbS). Приемники этого типа изготовляют двумя способами: испарением сульфида свинца на стеклянную или кварцевую подложку или химическим осаждением его из соответствующего раствора. В обоих случаях приемники имеют одинаковые спектральные характеристики, но постоянная времени приемника, изготовленного с помощью испарения, в среднем в четыре раза меньше постоянной времени приемника, изготовленного методом химического осаждения.

Фоторезисторы из PbS могут иметь различные размеры чувствительной площадки: от 50 X 50 мкма до нескольких квадратных сантиметров. Обна-ружительная способность при комнатной температуре составляет (3...10) s Ю* см FhI/Bt; при охлаждении максимум чувствительности возрастает в 3-6 раз, а длинноволновая граница смещается в сторону более длинных волн. Для охлаждения приемника подложку с чувствительным слоем монтируют в пластмассовом корпусе, имеющем форму сосуда Дьюара. Охлаждение производят твердой углекислотой (-78° С) или жидким азотом (-195° Q.

Технология изготовления и, в частности, степень окисления влияют на чувствительность приемников, особенно в коротковолновом участке спектра. Это позволяет изготовлять фоторезисторы из PbS, пригодные для диапазона 0,6...4 мкм. Внутреннее сопротивление 2 МОм, постоянная времени 100 мкс - у приемников, изготовленных способом испарения, и соответственно 0,5 МОм и 400 мкс-у приемников, изготовленных методом химиче-<:кого осаждения. Интегральная чувствительность 105 В/Вт; спектральные характеристики приведены на рис. 6.14.

Неохлаждаемые фоторезисторы, выпускаемые отечественной промышленностью, имеют буквенное обозначение ФСА. Чувствительным элементом служит пленка поликристаллического сульфида свинца толщиной примерно 1 мкм, получаемая методом химического осаждения. В дальнейшем эта пленка подвергается отжигу на воздухе, в результате чего образуются окислы свинца, обеспечивающие высокую фотопроводимость материала.

При тарировке по черному телу с температурой 300° С чувствительность фоторезисторов ФСА достигает 1500 В/Вт. Спектральная чувствительность

i = 2 мкм превышает 200 мА/Вт. Рис 6.14. Спектральные характеристики ё^еличина темнового сопротивления ле- ГоТ п?и%\Г„Г.?х^?e VaTpax жйт в пределах 20 кОм ... 1 МОм; рабо- стоительного слоя, чее напряжение выбирают равным 0.1 Rn, где Rn - темновое сопротивле- П*Гсм.0%т. ние фоторезистора в килоомах. -

Фоторезисторы ФСА малоинерционны, что позволяет использовать их при больших частотах модуляции принимаемого лучистого потока. Параметры фоторезисторов приведены в табл. 6.11, а их эскизы представлены на рис. 6.15.

б) Фоторезисторы на ос- JQ нове селенида и теллурида свинца (PbSe, РЬТе). Слои селенида свинца получают разработанным недавно способом химического осаждения, а слои теллурида свинца-способом сублимации с последующей обработкой .. в вакууме при небольшом давлении W кислорода. Оба слоя требуют охлаждения до температуры 78 К; для этой цели их помещают в баллон, имеющий форму сосуда Дьюара (рис. 6.16). Спектральные характеристики рассматриваемых фоторезисторов (рис. 6.17) указы- .r.s вают на возможность их применения в спектральном интервале 2...6 (РЬТе) и даже до 8 (PbSe) мкм. Обнаружительная способность при охлаждении чувствительного слоя до 78 К составляет 10 см . Гц12/Вт у фоторезисторов . PbSe и 2 . 10 см . Гц1/г/Вт - у фото-резисторов РЬТе; темновое сопротивле- 1 Z 3 4 К,ннн

ие 10 МОм и 500 МОм соответственно.

В последние годы разработаны фоторезисторы из поликристаллических пленок РЬТе. Пленки осаждают на стеклянных и кремниевых подложках, нагретых до температуры 600 К. и сенсибилизируют кислородом.

Таблица 6.11

Параметры неохлаждаемых сернисто-свинцовых фоторезисторов