Fotorezistoare

Interacţiunea cu materialul semiconductor a radiaţiei electro-magnetice absorbite poate determina ionizarea atomilor reţelei şi crearea de purtători de sarcină liberi, fenomen ce poartă denumirea de efect fotoelectric [1]. În cazul în care energia furnizată de fotoni electronilor de valenţă este mai mare decât energia de legătură în materialul semiconductor, electronii de valenţă sunt extraşi din material şi emişi în mediul exterior (efect fotoelectric extern)[2].

Dacă energia captată de electroni de la fotoni este mai mică decât lucrul mecanic de extracţie, dar suficientă pentru a crea purtători liberi în materialul semiconductor prin ruperea unor legături din reţeaua cristalină, fenomenul se numeşte efect fotoelectric intern [3], iar conductivitatea suplimentară a semiconductorilor iradiat de lumină este numită fotoconductivitate [4]. În acest caz, rezistenţa electrică scade odată cu fluxul luminos incident, astfel încât un fotoconductor [5] este un solid bun izolator la întuneric, dar care este capabil să conducă curentul electric când este expus la lumină.

Efectul fotoelectric intern se poate produce prin mai multe mecanisme:

a) Absorbţia proprie (mecanismul intrinsec) [6] reprezintă interacţiunea elastică dintre un foton şi un electron de valenţă, în urma căreia electronul trece în banda de conducţie prin mecanismul intrinsec; se creează astfel perechi de goluri şi electroni de conducţie [7] Absorbţia proprie poate avea loc numai dacă energia fotonilor depăşeşte energia benzii interzise a semiconductorului

(1)

unde v este frecvenţa radiaţiei optice, iar h este constanta lui Planck.

Condiţia (1) conduce la o lungime de undă limită:

(2)

Unde - reprezintă lungimea de undă limită în cazul unui mecanism intrinsec, iar c – este viteza luminii în vid.

Pentru energii ale radiaţiei mai mici decât acest prag energetic inferior (respectiv lungimi de undă ale radiaţiei mai mari decât ), absorbţia directă [8] nu mai poate avea loc, semiconductorul fiind practic transparent pentru această radiaţie.

b) Absorbţia datorită impurităţilor (mecanismul extrinsec) reprezintă interacţiunea elastică a fotonilor cu atomii de impuritate din semiconductor, prin care este posibilă ionizarea acestora pe baza energiei primite de la fotoni; în acest mod iau naştere purtătorii mobili de sarcină de un singur tip (goluri în banda de valenţă sau electroni în banda de conducţie), după cum sunt ionizaţi atomii acceptori sau donori [9]. Şi în acest caz se defineşte un prag inferior de declanşare a absorbţiei, definit de energia de activare a impurităţilor ( sau , în funcţie de tipul mecanismului extrinsec – donor sau acceptor – de generare a purtătorilor), respectiv o lungime de undă limită .

(3)

Deoarece în mod uzual, impurităţile introduc nivele energetice locale în banda interzisă ( ), rezultă un prag inferior mai coborât decât în cazul absorbţiei proprii, .

CAPITOLUL 1

CARACTERISTICILE ŞI PROPRIETĂŢILE FOTOREZISTOARELOR

Rezistoarele dependente de fluxul luminos (fotorezistoarele) [10] sunt componente a căror funcţionare se bazează pe efectul fotoelectric intern din semiconductoare. Simplificat, se poate arăta dependenţa rezistivităţii de intensitatea luminoasă, considerând structura din fig.1.

U

l 2

1

d

Fig. 1

Numărul de electroni eliberaţi pe secundă în semiconductor este:

(4)

unde - este suprafaţa de incidenţă a fluxului luminos, - este intensitatea luminoasă, iar - reprezintă o constantă ce depinde de lungimea de undă a radiaţiei.