Fotoelektrické princípy snímačov

   Prechod elektrónu z valenčného do vodivostného pásu nastane, ak energia dopadajúceho fotónu bude dostatočná na prekonanie zakázaného pásu, t.j. $hυ≤δW$. V opačnom prípade fotoefekt nenastáva. Pre každý polovodič existuje medzná vlnová dĺžka $υ_max$ spĺňajúca podmienku $hυ_{max}≤δW$. Pre žiarenie o dlhších vlnových dĺžkach fotoelektrický jav nenastáva. Pri osvetlení polovodiča energiou fotónov väčšou alebo rovnou energii zakázaného pásu sa v polovodiči generujú nové páry nosičov elektrického náboja, ktoré zvyšujú vodivosť polovodiča. Za predpokladu, že počet uvoľnených elektrónov v objeme $V$ za jednotku času je úmerný energii žiarenia absorbovanej v tom istom objeme, je celkový počet párov elektrón diera vytvorený za dobu $t$ daný vzťahom

kde $β_k$ je počet párov vytvorených jedným kvantom (tzv. kvantový výťažok), $k_{az}$ predstavuje koeficient absorpcie žiarenia a $E$ označuje intenzitu dopadajúceho žiarenia. Zo vzťahu vyplýva, že s rastúcim časom by koncentrácia párov a tiež aj vodivosť rástli nad všetky hranice. V skutočnosti sa koncentrácia nosičov náboja ustáli pre danú intenzitu žiarenia na istej hodnote (po istej dobe dôjde k opätovnej rekombinácii elektrónov a dier). Pri skracovaní vlnovej dĺžky dochádza k poklesu vodivosti polovodiča z dôvodu vyššej absorpcie svetla v kryštáli a vyššej rekombinácii. Fotoprúd dosahuje maximum, ak dopadajú na polovodič fotóny s energiou rovnou šírke zakázaného pásu. Zo spektrálnej fotocitlivosti polovodičov je teda možné určiť šírku zakázaného pásu.

   Nosiče náboja generované dopadajúcimi fotónmi nie sú emitované z povrchu polovodiča. Existuje niekoľko typov interakcie žiarenia – intrinsický a extrinsický jav, interakcia fotónov s voľnými nosičmi náboja a lokalizovaná excitácia elektrónov do vyššieho energetického stavu. Mikrosenzory využívajú predovšetkým intrinsický a extrinsický jav. Fotovodivosť označuje zmenu elektrickej vodivosti polovodiča vyvolanú dopadajúcimi fotónmi. Fotosignál sa vyhodnocuje ako zmena prúdu pretekajúceho senzorom alebo ako úbytok napätia na zaťažovacom rezistore zapojenom v sérii so senzorom.

   Intrinsický jav vzniká v nedotovanom polovodiči, kde žiarenie generuje voľné páry elektrón diera. U tejto fotovodivosti musí mať intereagujúci fotón minimálne takú energiu, ktorá je rovná energii (šírke) zakázaného pásu $E_g$ daného polovodiča. Musí platiť

Pre intrinsickú dlhovlnnú hranu platí

   Extrinsický jav vzniká v dotovanom polovodiči, kde žiarenie generuje páry voľný elektrón viazaná diera alebo voľná diera viazaný elektrón. Extrinsická fotovodivosť vznikne pri splnení podmienky, aby energia fotónu bola

kde E_i je ionizačná energia prímesi polovodiča. Fotovodivosť je podmienená majoritnými vodičmi náboja, vplyv minoritných nosičov je malý. V tab. 3 sú uvedené niektoré materiály a hodnoty extrinsickej hrany $λ_0$ pre dotáciu kremíka rôznymi materiálmi.

   Pre vznik javu je podmienkou existencia vnútornej potenciálovej bariéry s elektrickým poľom na separáciu generovaných nosičov náboja. Potenciálová bariéra v polovodiči je vytvorená prechodom PN alebo Schottkyho prechodom – fotodióda. Svetelný tok dopadá na fotodiódu rovnobežne s PN prechodom alebo kolmo k PN prechodu. Pre meranie svetelného žiarenia je možné využiť senzory s viacerými pn prechodmi, napr. fototranzistor.