2. Фотосопротивления

Фотосопротивление – не путать с фотоэлементом. При падении светового потока на фоточувствительную п/п пластинку происходит поглощение излучения, но при этом происходит только уменьшение сопротивления проводника, но не вызывает появление в нем ни тока (при наличии внешней цепи), ни ЭДС.

Второе различие между фотоэлементом и фотосопротивлением – в вакуумном или газонаполненном фотоэлементе ток может идти только в одном направлении – от анода к катоду. Фотосопротивление одинаково проводит ток как в одном, так и в другом направлении, следовательно, фотосопротивление – элемент схемы (прибор), уменьшающий свое сопротивление под действием лучистого потока. Изготавливается фотосопротивление: подложка (стеклянная пластинка или изолятор) с хорошо отшлифованной поверхностью, напыляется слой п/п, по краям металлические электроды для вывода, подключается в цепь последовательно с источником напряжения и сопротивлением. Для предохранения п/п от окисления его покрывают лаком.

Используется два варианта материалов: очень мелкий порошок – тонкие таблетки различной формы, которым вмазывают серебряной пастой электроды; иногда делают из монокристаллов.

Главное требования к материалу – п/п должны обладать большим внутренним фотоэффектом, чем он больше, тем лучше фотосопротивление.

Материалы: CdS, CdSe, CdTe, PbS, висмутS, Se, SeTe, PbSe, SiGe, Te₂S, ряд других.

3. Получение p-n-переходов

Методы получения p-n переходов:

1. Диффузионный метод. Электронно-дырочный переход может быть получен путем диффузии акцепторной примеси в п/п донорного типа или донорной примеси в п/п акцепторного типа. Диффузию примеси проводят при высоких температурах 1300^оС или из твердого диффузанта, нанесенного на пов-ть п/п пластины; либо из газоносителя, содержащего необходимую легирующую примесь, пропускаемую в виде потока над пластинами. Распределение примесей непосредственно в областях, примыкающих к p-n переходу, может быть различным. В идеальном граница резкая, кончается акцепторный, начинается донорный. Поэтому для выращивания разработаны разные методы.

2. Эпитаксиальный метод – состоит в осаждении на монокристаллическую подложку, например, Si n-типа монокристаллической пленки p-типа. На границе этой пленки и подложки образуется p-n переход, а само осаждение эпитаксиальной пленки может происходить из жидкой или газовой среды. Примером может служить промышленное выращивание пленок кремния на кремниевых подложках из тетрахлорированного кремния (SiCl₄). С этой целью пластины кремния помещают в кварцевую трубу и нагревают до 1200^оС, потом пропускают поток водорода, насыщенный парами SiCl₄. Данная смесь, проходя над кремниевыми пластинами, вступает в реакцию. SiCl₄ восстанавливается до атомного кремния по реакции: . Получившийся кремний осаждается на пластинках в виде монокристаллической эпитаксиальной пленки кремния. Чтобы пролегировать пленку акцепторной либо донорной примесью, в состав газовой среды добавляют SiCl₄ и бромид бора BrB­₃. Если донорная примесь – PCl₃. Они разлагаются, …

3. Жидкостная эпитаксия. Таким методом выращивают p-n переходы из интерметаллоидных п/п, например, выращивание пленок GaAs на GaAs подложке из раствора арсенида галлия в расплавленном металлическом галлии. Количество арсенида галлия в растворе подбирают таким, чтобы выше некоторой температуры T₁ р-р был ненасыщен, а ниже – пересыщен. Поэтому, нагревая до Т₁, р-ром покрывают пластинку арсенида галлия, нагретую до этой же Т. После этого температуру печи понижают ниже Т₁, и из пересыщенного р-ра GaAs на пов-ти подложек начинают расти монокристаллические металлические пленки GaAs. Для легирования вводят акцепторные или донорные примеси в небольшом количестве. Идеальное распределение примеси может быть только в эпитаксиальной пленке. Такое распределение называют резким p-n переходом. В действительности, как на картинке получить нельзя (есть диффузия), и он несколько размыт. Чем ниже температура и меньше время выращивания эпитаксиальной пленки, тем более резкий получается p-n переход.

4. В последние годы развивается новый метод, разработан метод эпитаксии в вакууме 10^-7-10^-8 Па. В таком вакууме на подложку направляется поток атомов осаждаемого вещ-ва. Если осаждается сложное соединение – GaAs или Ga_xAl_1-xAs, то каждая компонента соединения поступает на подложку из отдельного источника. Такой способ – молекулярно-лучевая эпитаксия. Используется для получения контролируемого состава вплоть до нанопленок.

5. Самый современный метод – метод получения p-n переходов с помощью ионного легирования. Здесь на п/п подложку определенного типа проводимости направляется пучок ионов примеси противоположного типа. Энергия ионов в пучке от 10 до 10⁵ эВ. Ионы проникают в подложку и застревают в приповерхностном слое п/п, но здесь они внедряются в неактивном состоянии. Т.е. происходит внедрение ионов преимущественно в междуузлия, где они не работают как доноры/акцепторы. Для возвращения их в активное состояние проводят отжиг. Пластины в течение некоторого времени – 10-15 минут – отжигают. При отжиге происходит не только активация примеси, но и восстановление кристаллической решетки, подвергнутой бомбардировке ионами. В этом случае, если отжиг производится не при очень высоких Т, когда диффузия слабая; например, для кремния ≤ 1000^oC, то переход достаточно резкий.

p-n переходы как фотоприемники применяются для преобразования света в электроэнергию – элементы солнечных батарей космических и земных аппаратов. В автоматике применяют диоды с внешним замещением – регистрация световых сигналов, управлять срабатыванием электро-механических реле.