STUDY OF TEMPERATURE DEPENDENCE OF SEMICONDUCTOR PHOTORESISTORS

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОРЕЗИСТОРОВ

Научная статья

Юртаева Т.П.^1, *, Рудин А.В.², Сабурова Д.А.³, Серсков В.Ю.⁴, Денисова О.М.⁵, Журина А.Е.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-1825-0097; ² ORCID: 0000-0002-1825-0023; ³ ORCID: 0000-0002-1825-0097; ⁴ ORCID: 0000-0002-1825-0097; ⁵ ORCID: 0000-0002-1825-0097; ⁶ ORCID: 0000-0002-1825-0097;

^{1, 2, 3, 4, 5, 6} Пензенский государственный университет; Пенза, Россия

* Корреспондирующий автор (yurtaeva.2019[at]inbox.ru)

Аннотация Приведено описание лабораторной установки для исследования температурной зависимости фототока полупроводниковых фоторезисторов и результаты экспериментальных измерений времени жизни неосновных носителей фототока проводимости, в зависимости от температуры и частоты световых волн облучения. Установлено, что температурная зависимость времени жизни неосновных носителей фототока в исследованных полупроводниковых фоторезисторах при освещении светом зеленого спектра носит линейный характер. С увеличением температуры величина времени жизни, с точностью до статистического распределения измеряемой величины, монотонно убывает. Зависимость времени жизни неосновных носителей тока от частоты световых волн носит почти линейный характер. С увеличением длины волны облучаемого света время жизни неосновных носителей фототока монотонно увеличивается. Ключевые слова: фототок, фоторезистор, время жизни, неосновные носители тока, длина волны, частота, температура, рекомбинация.

 

STUDY OF TEMPERATURE DEPENDENCE OF SEMICONDUCTOR PHOTORESISTORS

Research article

Yurtaeva T.P.^{1, *}, Rudin A.V.², Saburova D.A.³, Serskov V.Yu.⁴, Denisova O.M.⁵, Zhurina A.E.⁶

¹ ORCID: 0000-0002-1825-0097; ² ORCID: 0000-0002-1825-0023; ³ ORCID: 0000-0002-1825-0097; ⁴ ORCID: 0000-0002-1825-0097; ⁵ ORCID: 0000-0002-1825-0097; ⁶ ORCID: 0000-0002-1825-0097;

^{1, 2, 3, 4, 5, 6} Penza State University; Penza, Russia * Corresponding author (yurtaeva.2019[at]inbox.ru)

Abstract A description is given of a laboratory setup for studying the temperature dependence of the photocurrent of semiconductor photoresistors and the results of experimental measurements of the lifetime of minority carriers of a photocurrent of conductivity depending on the temperature and frequency of light irradiation waves. It is established that the temperature dependence of the lifetime of minority photocurrent carriers in the studied semiconductor photoresistors is linear when illuminated with the green spectrum light. The magnitude of the lifetime monotonously decreases with an increase in temperature up to a statistical distribution of the measured quantity. The dependence of the lifetime of minority carriers on the frequency of light waves is almost linear. The lifetime of the minority carriers of the photocurrent monotonously increases with an increase in the wavelength of the irradiated light. Keywords: photocurrent, photoresistor, lifetime, minority current carriers, wavelength, frequency, temperature, recombination.

Полупроводниковые фоторезисторы в настоящее время широко используются в автоматике и оптоэлектронике. В цепях автоматических электронных устройств фоторезисторы выполняют функцию преобразователей физических параметров и используются в качестве датчиков счета импульсов, датчиков габаритов различных деталей и конструкций, датчика скорости перемещения объекта, датчика дистанционного управления включением электромеханических систем и т.п. [1, С. 34].Технические характеристики фотоэлектронных полупроводниковых приемников излучения, приведенные в ГОСТ 21934-83 [2, С. 144-145] не дают точных значений о зависимости фототока используемого фоторезистора от длины волны при заданной температуре. Исследование температурно-частотной зависимости фототока позволит осуществить селекцию оптических сигналов по длине волн светового излучения, что позволит использовать полупроводниковый фоторезистор в качестве датчика фазового состава исследуемой среды. Действительно, при просвечивании многокомпонентной оптически прозрачной среды спектральный состав луча изменяется, что обусловлено различной степенью поглощения спектральных линий отдельными компонентами среды. Исследуя частотную зависимость фототока при заданной температуре, можно осуществлять не только качественный, но и количественный состав исследуемой среды. Работа фоторезисторов основана на изменении внутреннего сопротивления при изменении освещенности активной поверхности фоторезистора. Зависимость внутреннего сопротивления фоторезисторов носит нелинейный характер и описывается экспоненциальной кривой, что значительно усложняет расчет временных параметров фоторезисторов. Фоторезисторы изготавливают из светочувствительных материалов, таких как сульфид кадмия (CdS) или селенид кадмия (CdSe). Внутреннее сопротивление фоторезисторов изменяется от нескольких сотен МОм до нескольких сотен Ом. Фоторезисторы в основном используются при малых интенсивностях света. При малом потреблении мощности они могут работать в широком диапазоне рабочих напряжений от 300 мВ до 300 В [3, С. 239]. Недостатком фоторезисторов является медленный отклик на изменение освещенности, то есть большая величина времени релаксации, которая определяется временем жизни неосновных носителей фототока. Для равновесных носителей тока концентрации соответствуют тепловому равновесию. Избыточные, относительно равновесного распределения, носители тока образуются при возбуждении полупроводника (светом, ионизирующим излучением и т. д.). Они получили название неравновесных носителей тока. Также существует обратный процесс, наряду с процессами генерации неравновесных носителей при освещении полупроводника – их рекомбинация. Следовательно, через некоторое время, устанавливается стационарное значение неравновесных концентраций, а также, и стационарное значение фототока. По этой же причине в режиме затемнения полупроводника фотопроводимость не исчезает мгновенно. Этими процессами объясняется инерционность фоторезисторов. Кривыми релаксации называют кривые изменения со временем неравновесной проводимости. Исследование релаксационных кривых позволяет выявить ряд важных характеристик фоторезисторов [4, С. 102-114]. На рисунке 1 приведена типичная для большинства современных фоторезисторов кривая релаксации фототока при облучении импульсной вспышкой [4, С. 110]. Исследование релаксационных кривых позволяет определить один из важнейших параметров, характеризующий фотопроводимость - время жизни неравновесных носителей фототока, которое является функцией скорости рекомбинации последних. Закон релаксации фототока в режиме затемнения фоторезистора определяется известным выражением:

Рис. 1 –  Кривая релаксации фототока

Параметр времени жизни  неосновных носителей фототока можно рассчитать по величине t, при котором величина фототока уменьшится, например, в два раза. Пусть начальное значение фототока будет I₀ , а изменение величины фототока в два раза за интервал времени t, обозначим через . Тогда, используя формулу (1), получим выражение, описывающее закон релаксации фототока в виде выражения:

Полученное выражение (2) позволяет рассчитать время жизни  неосновных носителей фототока в исследуемом фоторезисторе в режиме затемнения:

На основе анализа экспериментальных методов измерения фотоэлектрических параметров полупроводниковых фоторезисторов [5, С. 311-319], [6, С. 289], была разработана и создана лабораторная электронная установка, которая в сочетании с термостатирующей фотокамерой, позволяет с высокой точностью проводить исследования зависимости фототока, как гостированных, так и специально разрабатываемых экспериментальных образцов фоторезисторов в широком интервале температур , при фиксированных длинах волн света λ₁  0,6мкм; λ₂0,5мкм, λ₃0,4мкм. Конструктивные особенности лабораторной экспериментальной установки подробно описаны в работах [7, С. 16], [8, С. 127–130]. Конструкция термостатирующей фотокамеры приведена на рисунке 2 [8, С. 129].

Рис.2 – Конструкция термостатирующей фотокамеры

Основными элементами фотокамеры являются: опорное кольцо10, к которому крепятся клеммы нагревателя 12 и устанавливается термоизолированный корпус 8, содержащий в себе: спираль нагревателя 11, теплопровод 9 с отверстиями 7 для циркуляции термостатирующей жидкости (например, воды), крышку 6, выполненную монолитно с теплопроводом 9, в которой крепится фоторезистор 2, защитную муфту 5, защитное кольцо 3, корпус осветителя 1, светодиод 4. Относительная погрешность измерения времени жизни неравновесных носителей фототока полупроводниковых фоторезисторов, с помощью предлагаемой лабораторной установки не превышает  8%  [8, С. 127–130]. По полученным экспериментальным данным были построены температурные зависимости времени жизни t_ж неосновных носителей фототока в исследуемых полупроводниковых фоторезисторах ФСК-1 и ФСК-2 при освещении светом различной длины волны. На рисунке 3 показана графическая зависимость времени жизни  t_ж  неосновных носителей тока в фоторезисторе ФСК-1 при освещении светом зеленого спектра <λ> = 0,53·10^{– 6} м.

Рис. 3 – Температурная зависимость  t_ж  неосновных носителей тока в ФСК-1 при освещении светом зеленого спектра

Как видно из приведенного рисунка 3 температурная зависимость  времени жизни  t_ж  неосновных носителей фототока в ФСК-1 при освещении светом зеленого спектра носит линейный характер. С увеличением температуры исследуемого фоторезистора величина времени жизни t_ж, с точностью до статистического распределения измеряемой величины, монотонно убывает. В работе [4, С. 112] показано, что время жизни  t_ж  неосновных носителей фототока в фоторезисторе обратно пропорционально концентрации дырок и средней относительной скорости движения электрона:

Полагая, что средняя относительная скорость движения электрона

Получим:

Что и подтверждается полученными экспериментальными результатами. Температурная зависимость  времени жизни  t_ж  неосновных носителей фототока в ФСК-1 при освещении светом синего и красного спектра, как и при освещении светом зеленого спектра, носит также линейный характер. На рисунке 4 приведена графическая зависимость времени жизни t_ж  неосновных носителей фототока от длины волны облучаемого света в фоторезисторе ФСК-1 для двух фиксированных температур:  Т₁ = 293 К и  Т₂ = 343 К. Как видно из приведенного рисунка 4 зависимость времени жизни  t_ж  неосновных носителей тока в ФСК-1 носит почти линейный характер. С увеличением длины волны облучаемого света время жизни  t_ж  неосновных носителей фототока монотонно увеличивается, что обусловлено уменьшением энергии фотона облучаемого света и, как следствие, уменьшением энергии возбужденных электронов и, следовательно, средней относительной скорости движения электронов [9, С. 12-21], [10, С. 1244-1252]. Из приведенных графических зависимостей времени жизни неосновных носителей фототока для исследуемых фоторезисторов ФСК – 1 и ФСК – 2 от температуры и длины волны следует, что с увеличением температуры время жизни монотонно убывает для обоих образцов, а с увеличением длины волны облучаемого света – монотонно возрастает. Данная экспериментальная зависимость хорошо согласуется с теоретическими положениями, приведенными в работах [11, С. 550-554], [12, С. 98].

Рис. 4 – Графическая зависимость времени жизни t_ж  неосновных носителей фототока от длины волны облучаемого света в фоторезисторе ФСК-1 для двух фиксированных температур: Т₁= 293К (1); и  Т₂ = 343К(2)

Выше приведенные экспериментальные результаты можно использовать при проектировании электронных систем автоматической регистрации и управления различными технологическими процессами с использованием полупроводниковых фоторезисторов данного класса. Результаты измерения времени жизни неосновных носителей фототока, исследуемых фоторезисторов, можно учитывать при проектировании фотодатчиков для регистрации быстроизменяющихся параметров. Температурная зависимость времени жизни неосновных носителей фототока в фоторезисторах типа ФСК позволяет определить граничную частоту переключений, которую можно рассчитать по формуле . Учитывая зависимость времени жизни неосновных носителей фототока от длины волны света можно рассчитать поправку на граничную частоту переключений фоторезистора для различных спектральных составляющих световых волн при облучении фоторезистора.

Заключение

1. Приводится описание разработанной лабораторной оптической установки, которая в сочетании с термостатирующей фотокамерой, позволяет с высокой точностью проводить исследования зависимости фототока, как гостированных, так и экспериментальных образцов фоторезисторов в широком интервале температур  при фиксированных длинах волн светового излучения: λ₁  0,6мкм; λ₂0,5мкм, λ₃0,4мкм.
2. Из приведенных экспериментальных результатов установлено, что температурная зависимость времени жизни t_ж  неосновных носителей фототока в исследованных фоторезисторах для всех длин волн излучения носит линейный характер.
3. С увеличением температуры фоторезисторов величина времени жизни t_ж,  с точностью до статистического распределения измеряемой величины, монотонно убывает.
4. С увеличением длины волны облучаемого света время жизни t_ж  неосновных носителей фототока монотонно увеличивается.
5. Полученные результаты о температурно-частотной зависимости фототока позволяют осуществить селекцию оптических сигналов по длине волн светового излучения, что позволит использовать полупроводниковый фоторезистор в качестве датчика фазового состава исследуемой среды, то есть использовать в качестве анализатора спектра.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Шалимова К. В. Физика полупроводников : учеб. пособие / К. В. Шалимова. – 4-е изд. – СПб. : Лань, 2010. – 400 с.
2. ГОСТ 21.934-83. Фотоприемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Термины и определения. – Введ. 1984-01-07. – М.: Стандартинформ, 2005. – 170 с.
3. Быстров Ю. А. Оптоэлектронные приборы и устройства : учеб. пособие / Ю. А. Быстров. – М. : Радио Софт, 2012. – 256 с.
4. Коваленко А. А. Основы микроэлектроники / А. А. Коваленко, М.Д. Петропавловский. – М. : Академия, 2010. – 240 с.
5. Павлов П. В. Физика твердого тела : уч. пособие для вузов / П. В. Павлов ; под ред. А.Ф. Хохлова. – 4-е изд. – М.: Высшая школа, 2015. – 496 с.
6. Игнатов А. Н. Оптоэлектроника и нанофотоника : учеб. пособие для вузов/ А.Н. Игнатов. – Санкт-Петербург : Лань, 2011. – 538 с.
7. Рудин А. В. Физические свойства твердых тел. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу «Физика твердого тела»/ А. В. Рудин, В. В. Евстифеев. – Пенза : ИИЦ ПГУ, 2007. – 68 с.
8. Рудин А. В. Определение времени жизни неравновесных носителей тока в полупроводниках» / А. В. Рудин, С. В. Рудин, И.В. Бойков // Сборник статей Х Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественно-научных и социальных проблем». – Пенза : ПГУ, 2015. – С. 127 – 131.
9. Казанский А. Г. Фотоэлектрические свойства микрокристаллического кремния /А. Г. Казанский // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. – 2009. – №8. – С. 12–21.
10. Кокурин И. А. Оптическая ориентация электронов в компенсированных полупроводниках / И. А. Кокурин, П. В. Петров, Н. С. Аверкиев // Физика и техника полупроводников. – 2013. – № 9 – С. 1244–1252.
11. Шишкин Г. Г. Электроника: учебник для бакалавров / Г. Г. Шишкин, А. Г. Шишкин. – 2-е изд. – М. : Юрайт, 2014. – 702 с.
12. Аминов Л. К. Термодинамика и статистическая физика. Конспект лекций и задачи / Л. К. Аминов. – Казань. : Казан. ун.-т, 2015. – 180 с.