Значения Sy для различных типов фоторезисторов составляют от 500 до 3000 мка/лм-в, а величина S при максимальных рабочих напряжениях достигает единиц ампер на люмен.

Световая характеристика (рис. 9-11,6) показывает зависимость фототока от освещенности. Обычно эта характеристика не-

Рис. 9-12. Спектральная характеристика фоторезистора.

сколько отклоняется от линейной, илдюст-рируя понижение чувствительности с ростом освещенности.

Спектральная характеристика (рис. 9-12) выражает относительное (в процентах) изменение фототока в зависимости от длины волны падающего на фоторезистор света. Различают общий диапазон волн, к которым чувствителен фоторезистор (например, в пределах снижения фототока до 10% максимального значения), и волну основного максимума Km. Полупроводниковые фоторезисторы, изготовленные из различных материалов, работают в чрезвычайно щироком диапазоне волн: от инфракрасных лучей до рентгеновских и гамма-лучей.

Темповое сопротивление - велттг сопротивления, обусловленная темновым током.

Кратность изменения сопротивления - число, пока.чывающее, во сколько раз сопротивление фоторезистора при оговариваемой освещенности (обычно 100 или 2(Ю лк) меньще темпового. У лучших типов фоторезисторов эта величина превышает 100.

Температурный коэффициент фототока - изменение фототока (в процентах) при повышении температуры на 1°С. Обычно он положителен и составляет от 0,1 до 1,5% I град.

Постоянная времени фототока Тф характеризует инерционность установления фототока, соответствующего новой освещенности после ее изменения.

В монокристаллических полупроводниках постоянная времени фототока совпадает с временем жизни т неравновесных носителей и обычно лежит в пределах от долей микросекунды до единип миллисекунд.

В промышленных образцах фоторезисторов используются поликристаллические структуры специально подбираемых полупроводниковых материалов, в которых воз-

никают медленные вторичные процессы, затормаживающие спад фотопроводимости, что позволяет во много раз увеличить чувствительность фоторезисторов. При этом инерционность фотоэффекта описывается постоянной времени фототока, которая может превышать время жизни во много раз.

Обычно нарастание фототока при увеличении освещенности происходит быстрее, чем спад фототока при снижении освещенности. Поэтому величину Тф принято определять по спаду фототока при мгновенном затемнении фоторезистора. В таких условиях в течение времени tф фототок снижается в е раз.

Инерционность фоторезистора с невысокой чувствительностью мала (t$ порядка десятков микросекунд), а у самых высокочувствительных фоторезисторов может быть весьма значительной (до 0,1 сек). При больших световых потоках постоянная времени фототока уменьшается.

Наряду с постоянной времени Тф для описания инерционности фоторезисторов приводят частотные характеристики, выражающие зависимость переменной составляющей фототока при освещении мoдyИ{)o-ванным (прерывистым) светом от частоты модуляции.

Предельные режимы эксплуатации. Во избежание необратимого изменения характеристик фоторезисторов оговариваются предельные рабочие температуры, максимальное рабочее напряжение (может достигать 3()0-400 е) и допустимая мощность рассеивания (при длительной и импульсной нагрузках).

Датчики э. д. с. Холла

Действие этих датчиков основано на эффекте Холла, который заключается в том, что при помещении полупроводника с током в магнитное поле (рис. 9-13) в полупро-

Рис. 9-13. (Якема эффекта Холла.

воднике возникает поперечная (направленная перпендикулярно плоскости векторов электрического и магнитного полей) э. д. с.

где а - ширина образца;

J*x-холловская подвижность (в зави- симости от механизма взаимодей-

ствия движущихся электронов с кристаллической решеткой р,х может либо совпадать с введенной выше дрейфовой подвижностью р либо отличаться от нее, но не более чем в 2 раза); И - напряженность магнитного поля; Я-внешнее электрическое поле.

Этот эффект отражает появление стационарной силы, которая уравновешивает стремление магнитного поля отклонить движение носителей заряда.

Знаки э. д. с. Холла в полупроводниках с электронной и дырочной проводимостями противоположны.

Для практических целей удобно следующее выражение, связывающее э. д. с. Холла с током / через образец:

?х = Px~J в (9-25а)

где У - толщина образца {см) в направлении поля Н (а); iX - постоянная Холла, зависящая от концентрации п (или р) основных носителей,

Ry=~ . см/к. (9-26) дп

Датчики э. д. с. Холла выполняются в тле тонких пластинок или пленок из полупроводниковых материалов, которым свойственны высокие значения Rx (германий, сурьмянистый индий, селенистая ртуть и др.), и снабжаются двумя парами выводов: одна пара для включения в цепь тока, вторая - дfя съема э. д. с. Они применяются для измерения магнитных полей, токов, мощности, для перемножения двух сигналов (э. д. с. Холла пропорциональна произведению тока через образец на напряженность магнитного поля), в качестве модуляторов, преобразователей частоты и для ряда других целей [Л. 3].

9-3. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Контактная разность потенциалов

Энергия, которую необходимо сообщить электрону для его удаления из твердого тела, называется работой выхода. В полупроводнике (как и в металле) работа выхода равна разности потенциальной энергии электрона в вакууме и энергии уровня Ферми.

При образовании контакта двух различных полупроводников (а также контактов полупроводник - металл или металл - металл) возникает контактная разность потенциалов фк, соответствующая разности

работ выхода этих материалов, т. е. разности энергий уровней Ферми (рис. 9-14):

Фк =

£ф1- Е.

(9-27)

Появление контактной разности потенциалов объясняется тем, что количество электронов, переходящих из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода, превышает количество электронов, переходящих в обратном направлении. При этом в первом теле

Латеккчал электрвна б Вакууме

Металл

ПолупродоВшк п-типа

Рж. 9-14. Энергетические схемы изолированных металла и полупроводника (а) и при образовании контакта (б).

накапливается положительный заряд, а во втором отрицательный, и это происходит до тех пор, пока разность потенциалов, возрастающая вместе с образованием этих зарядов, не уравновесит исходную разность уровней Ферми. При наступлении равновесия исходная разность уровней Ферми обоих тел компенсируется потенциальным барьером 9 фк в результате чего в соприкасающихся телах энергия уровня Ферми оказывается одинаковой.

До тех пор пока все элементы электрической цепи находятся при одинаковой температуре, обнаружить внешние проявления контактной разности потенциалов нельзя, поскольку в замкнутой цепи сумма контактных разностей потенциалов равна нулю. Если же условия теплового равновесия нарушены, то контактные разности потенциалов холодного и горячего контактов оказываются разными и перестают уравновешивать друг друга, что приводит к появлению в цепи термо-э. д. с. Кроме того, возможно появление объемной составляющей термо-э. д. с, обусловленной градиентом концентрации носителей вдоль неравномерно нагретого полупроводника [Л. 20]. В небольшом интервале температур величина термо-э. д. с.

. . t = (ai.-ag)Ar (9-2а

где оь as - коэффициенты термо-э.д.с. дашюй пары материалов; AT - перепад температур между горячим и холодным контактом. Значения а полупроводников бывают как положительными, так и отрицательными и достигают сотен микровольт на градус, что делает полупроводниковые термоэлектрические генераторы весьма эффективными не только для измерения и контроля температур, но и для преобразования тепла в электрическую энергию с высоким к. п. д. 1Л. 7].

Запорный слои

Объемный заряд в приконтактиом слое полупроводника обычно представляет собой некомпенсированный заряд ионов примесей, обусловленный уходом электронов (в полупроводнике п-типа) или заполнением дырок перешедшими из другого материала электронами (в полупроводнике р-типа). При этом в области объемного заряда практически отсутствуют подвижные носители и она обладает значительным электрическим сопротивлением, в связи с чем эту область называют запорным или обедненным слоем.

Внутри обедненного слоя существует электрическое поле, создаваемое объемными зарядами, причем ввиду малой толщины этого слоя (обычно порядка 1 мк) напряженность поля зачастую достигает гигантских значений (десятки киловольт на сан-, тиметр) при незначительных контактных разностях потенциалов (менее 1 в).

Если внутри обедненного слоя по какой-либо причине появляется электрон, то он немедленно перебрасывается электрическим полем в материал с меньшей работой выхода (как бы скатывается с потенциального барьера).

Так, при освещении контакта в прилегающих к нему слоях полупроводника возбуждаются пары электрон-дырка. Появившиеся при этом неосновные носители (элисгроны в р-области и дырки в -области) увлекаются электрическим полем обедненного слоя и уходят в противоположную область иолупроводника.

Легко видеть, что это приводит к уменьшению объемных зарядов по обеим сторонам контакта, а следовательно, к снижению контактной разности потенциалов на свещенном контакте.

Поскольку процесс генерации пар электрон- дырка продолжается все время, пока освещен контакт, можно было бы ожидать понижения контактной разности потенциалов до нуля. В действительности этого не происходит, так как понижение потенциального барьера облегчает преодоление его основными носителями, потоки которых быстро возрастают и при некотором пониженном значении контактной разности потенциалов, зависящем от интеи-сиБНости освещения, уравновешивают поток носителей, генерируемых светом. Понижение контактной разности потенциалов

отождествляется с появлением соответствующей э. д. с. (фото-э. д. с.), которая при замыкании внешней цепи способна вызвать в ней электрический ток (фототок), направленный от вывода р-области и выводу п-области. Это явление, как и фотопроводимость, представляет собой внутренний фотоэлектрический эффект и в отличие от фотопроводимости называется вентильным фотоэффектом.

Величина фото-э. д. с. возрастает с повышением освещенности, но не может превышать значения некоторой разности потенциалов (обычно менее 1 в). Тем не менее основанные на этом явлении фотоэлементы с запорным слоем, фотодиоды и солнечные батареи являются высокоэффективными преобразователями энергии света в электрическую энергию н применяются в качестве не только контрольно-измерительных приборов, но и источников энергии [Л. 15].

С прохождением тока через контакт связаны специфические явления. Например, из энергетической схемы на рис. 9-14 видно, что при переходе электронов из полупроводника п-типа в металл они опускаются на более низкий .энергетический уровень. При этом избыточная энергия отдается атомам металла и вызывает нагрев в районе контакта. Из металла в полупроводник могут перейти лишь наиболее горячие электроны, занимавшие до этого перехода уровни, расположенные выше дна зоны проводимости полупроводника. При этом область контакта охлаждается. Зависящее от направления постоянного тока выделение или поглощение тепла в контакте называется эффектом Пельтье. Оно лежит в основе полупроводниковых рцоэлектриче-ских холодильных устройств. Количество тепла, выделяемого (поглощаемого) в контакте в дополнение к джоулву теплу, составляет:

ап = {Пг-П)И, (9-29)

где /- сила тока; t - время; /7i, -коэффициент Пельтье данной пары материалов, причем для данного материала

П = аТ,

(9-30)

где а -

1ициент термо-э. д. с.

Односторонняя проводимость

Запорному слою присущ эффект выпрямления, состоящий в различии сопротивления для токов противоположных направлений. Приложенное напряжение U ввиду повышенного сопротивления обедненного слоя практически полностью падаг ет в этом слое. При этом уровни Фермн в обоих телах (Яиещаются друг относительно друга на величину, соответствующую приложенному напряжению (qU), в результате чего потенциальный барьер либо понижается (при приложении прямого напря-