Общие принципы полупроводниковой фотографии. Строение полупроводниковых фотографических систем. Условия осуществления длинноволновой

Типичное  устройство с запорными контактами представляет собой слой фотопроводника и граничащий с ним электрохромный или электрооптический регистрирующий материал. Действие света приводит к уменьшению поля в фотопроводнике и перераспределению приложенного напряжения на электрохромный слой. Число фотонов для практически полного переноса поля ξ на регистрирующий слой определяется самой величиной поля. Если принять толщины и диэлектрические проницаемости е слоев одинаковыми, то плотность исходного заряда N определится выражением

N = 6∙10⁵εξ электрон/см²

Именно такой должна быть и фотографическая  экспозиция, выраженная в фотонах/см². Например, в устройствах с электрооптическим регистрирующим материалом ξ≈10⁶ В/см, что дает минимальную экспозицию 10¹³ фотон/см². В системах «Ксерокс» начальные значения поля порядка 10⁵ В/см, что обеспечивает более высокую чувствительность (≈10¹² фотон/см²). Соответствующие величины для устройств с жидкими кристаллами составляют 10⁴ В/см и 10¹¹ фотон/см².

В фотопроводниках с омическими контактами возможно поступление носителей заряда из контакта. Когда электрон освобождается фотоном, например с некоторого примесного центра, то под действием поля он уходит в анод, а положительный заряд центра компенсируется другим электроном, входящим из катода. Процесс продолжается, пока один из свободных электронов не захватывается неподвижным положительным центром. Число прошедших зарядов в расчете на один фотон дает коэффициент усиления фотопроводника:

G = τ/τ_п

где τ_п  = L/μξ— время пролета (L — межэлектродное расстояние, μ — подвижность); τ— время жизни носителя.

Величина максимального поля, при  котором фотопроводник не переходит  в режим монополярной инжекции (токов, ограниченных объемным зарядом), определяется отношением времен пролета и диэлектрической максвелловской релаксации τ_м и составляет

ξ= (4π/ε) enL

где п — объемная концентрация носителей.

Тогда максимальный коэффициент усиления, достижимый при омических контактах, определяется как

G = τ/τ_м 

Здесь под  т можно понимать общее время  фотоответа полупроводника.

Типичным устройством с омическими контактами является фотопроводник в сочетании, например, со слоем жидкого кристалла, у которого способность отражать и пропускать свет изменяется вследствие турбулентности, возникающей при прохождении тока. Другим примером может служить система, в которой фотопроводящий слой включен последовательно с пленкой, пропитанной электролитом; при прохождении тока происходит осаждение нейтральных атомов из раствора, что с помощью вторичных процессов приводит к образованию окрашенных комплексов и формированию почернения. В таких устройствах для получения приемлемого контраста оптическая экспозиция должна по крайней мере вдвое превышать число электронов, прошедших в это же время в цепи за счет темнового тока. Оценка экспозиции для превышения вдвое темнового тока приводит к значению

N = (п + n_захв) L = 6∙10⁵εξ фотон/см²

т. е. к  такой же величине, как в случае запорных контактов, и определяется приложенным электрическим полем.

Приведенные соображения позволили сделать вывод, что оптическая экспозиция, требуемая для отображающего устройства, основанного на явлении фотопроводимости, как правило, одинакова для фотопроводников с омическими контактами и высоким коэффициентом усиления и с запорными контактами и коэффициентом усиления, равным 1. Обычно она составляет 6∙10⁵εξ фотон/см² и может быть уменьшена практически только в случае, когда на светорегистрирующий слой достаточно перевести лишь часть приложенного к фотопроводнику напряжения или использовать лишь часть светового заряда. Сама по себе фотографическая чувствительность, при (ξ= 10⁶ В/см и ε =10 составляющая S = 10¹³ фотон/см², в излучении λ = 0,5 мкм равна 0,25∙10⁶ см²/Дж, а для 10¹¹ фотон/см² S= 2,5∙10⁷ см²/Дж, т. е. достаточно велика и примерно соответствует наилучшим результатам ЭФ. Таким образом, предельно достижимые в полупроводниковых фотографических устройствах величины чувствительности оказываются на 2—3 порядка ниже желаемых величин обычных для AgHal-эмульсий.

Рассмотренные обстоятельства  создают  своеобразный  барьер обусловленный самой физической природой процессов в используемом полупроводнике.