WSTĘP TEORETYCZNY

1. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

W zjawisku tym kwanty światła przenoszą elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, dzięki czemu wzrasta przewodnictwo właściwe. Występuje ono dla częstotliwości wyższych od częstotliwości granicznej V_g, dla której energia kwantu równa się szerokości pasma wzbronionego ΔE. Kwanty światła padają na półprzewodnik i uwalniają elektrony tworzące wiązania atomowe. Owe elektrony poruszają się swobodnie, a miejsce po nich wypełniają elektrony z wiązania sąsiedniego. Powstała w wyniku dziura przenosi się do wiązania sąsiedniego. Dzięki temu dziury i elektrony poruszają się swobodnie po ciele. Jeżeli jednak znajdują się w tym samym miejscu, wtedy elektron zajmuje wolne miejsce i nośniki zanikają.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne zachodzi tylko w cienkiej warstwie powierzchniowej, w której padające światło nie zostało całkowicie zaabsorbowane. Ponieważ opór elektryczny próbki zależy od ilości nośników więc opór próbki oświetlonej jest mniejszy od oporu próbki nieoświetlonej.

2. Fotoogniwo.

W oświetlonym złączu p-n powstaje zjawisko powstawania siły elektromotorycznej. Obserwuje się je przy polaryzacji zewnętrznej. Wówczas złącze p-n spełnia funkcję źródła energii elektrycznej i nazywane jest fotoogniwem lub baterią słoneczną.

3. Fotodioda.

W oświetlonym złączup-n prąd wsteczny zależy od natężenia promieniowania świetlnego. Obserwuje się je przy polaryzacji złącza p-n w kierunku wstecznym. Złącze spełnia wówczas funkcję rezystancji nieliniowej, zależnej od promieniowania świetlnego i jest nazywane fotodiodą. Przyczyną tego zjawiska jest generacja świetlna par elektron-dziura w obszarze warstwy zaporowej złącza p-n lub w bliskim jej sąsiedztwie. Pod wpływem prądu elektrycznego istniejącego w warstwie zaporowej nośniki są roznoszone w dwie przeciwne strony (dziury do n, a elektrony do p). Magazynowane w ten sposób nośniki tworzą ładunki nieskompensowane. Istnieją także fotodiody ze złączem m-s (diody z baterią Schottky'ego). Główną zaletą fotodiód jest duża szybkość działania, gdyż mają zwykle strukturę pin (między warstwami p i n jest warstwa przewodnika samoistnego i).

4. Fotoopornik.

Jest to rezystor półprzewodnikowy, którego rezystancja zmienia się pod wpływem światła. Światło o odpowiedniej długości fali wywołuje generację elektron-dziura. Dodatkowa liczba elektronów i dziur wywołuje zwiększenie konduktywności półprzewodnika i odpowiednie zmniejszenie rezystancji fotoopornika. Wytwarzane są z siarczka ołowiu lub kadmu, albo z selenku ołowiu. Są stosowane, gdy szybkość fotodetektora nie jest istotna.

5. Fototranzystor.

Nie różni się od tranzystorów bipolarnych. Jedyną różnicą jest to, że obszar jego bazy może być oświetlony i nie zawsze końcówka bazy jest wyprowadzona na zewnątrz. Fototranzystor pracuje zwykle w układzie wspólnego emitera. Pod wpływem światła padającego na powierzchnię półprzewodnika w bazie są generowane dodatkowe generatory elektron-dziura. W fototranzystorze n-p-n elektrony są odbierane przez kolektor i stanowią składową prądu zerowego kolektora, natomiast dziury ogranicza bariera potencjałów. Dziury gromadzą się w bazie, obniżają bareierę potencjałów na złączu emiter-baza, powodując wstrzyknięcie β+1 razy większego ładunku elektronów z emitera do bazy. Elektrony odbiera kolektor dając duży przyrost prądu kolektora. W ten sposób zachodzi wewnętrzne wzmocnienie prądu.

6. Nośniki prądu.

Nośnikami prądu w półprzewodnikach są:

• swobodne elektrony inaczej elektrony przewodnictwa, które oderwały się od wiązania walencyjnego atomów sieci przestrzennej.

• dziury, czyli puste miejsca w wiązaniach walencyjnych powstałe po swobodnych elektronach.

Elektrony przenoszą nabój ujemny, a dziury nabój dodatni. Ruch elektronów i dziur pod wpływem pola elektrycznego odbywa się w kierunkach przeciwnych, a natężenie płynącego prądu zgodnie z równaniem :

I=nSe(v⁺+v^-)

gdzie: n - liczba swobodnych elektronów w 1 cm³,

S - przekrój poprzeczny przewodnika,

e - nabój elektronu równy nabojowi dziury,

v⁺ i v^- - odpowiednio prędkość dziur i elektronów w sieci przestrz. półprzewodnika.

Zarówno v⁺, jak i v^- zależą od natężenia przyłożonego pola E, przy czym istnieje proporcjonalna zależność między tymi wielkościami:

v⁺=k₁E, v^-=k₂E,

gdzie: k₁ i k₂ to tzw. ruchliwość obu rodzajów nośników, liczbowo równa prędkości nośników przy jednostkowej wartości natężenia pola E, tj. przy różnicy potencjałów 1 wolt na 1 cm.

Gdy światło pada na powierzchnię półprzewodnika i wnika w jego głąb, wówczas jego energia fotonów jest przekazywana elektronom walencyjnym, które dzięki temu odrywają się od atomów i powiększają liczbę elektronów swobodnych o pewną liczbę Δn (w 1 cm³), proporcjonalną do padającego strumienia świetlnego Φ. O tyle samo zwiększa się ilość dziur. W związku z tym daje się zauważyć zwiększenie natężenia prądu o pewien dodatkowy przyrost ΔI=Δn Se(v⁺+v^-) w stosunku do natężenia prądu I_c, płynącego w przewodniku bez naświetlenia. Prąd ten nazywamy prądem „ciemnym”. W czasie naświetlenia płynie prąd tzw. „jasny” -I_j:

I_j=I_c+ΔI.

---