Selen zaczął zmieniać przewodnictwo pod wpływem światła na długo przed erą półprzewodników
W XIX wieku odkryto, że opór elektryczny selenu silnie zależy od oświetlenia. Światło zwiększa liczbę ruchliwych nośników ładunku, więc odpowiednio przygotowany selen przewodzi znacznie lepiej niż w ciemności. Zjawisko fotoprzewodnictwa stało się podstawą wczesnych światłoczułych komórek, ekspozytomierzy i rozwoju technologii obrazu, a później znalazło ważne zastosowanie w kserografii. Co istotne, historycznie próbowano tłumaczyć efekt przemianą alotropową, lecz eksperymenty wykazały, że zasadniczy mechanizm jest elektronowy.
Odkrycie było przypadkowo praktyczne
W 1873 roku Willoughby Smith zauważył, że przewodnictwo selenu używanego w testach kabli zmienia się wraz z oświetleniem. Było to jedno z pierwszych wyraźnych zjawisk pokazujących, że światło może sterować prądem w ciele stałym.
Selen jest półprzewodnikiem
W półprzewodniku liczba dostępnych nośników ładunku może silnie zależeć od temperatury i pochłoniętego światła. Foton o odpowiedniej energii może wzbudzić elektron do stanu, w którym uczestniczy on w przewodzeniu.
Fotoprzewodnictwo nie jest tym samym co efekt fotoelektryczny polegający na wybiciu elektronu całkowicie z powierzchni materiału. W selenie foton może wzbudzić elektron wewnątrz ciała stałego z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, pozostawiając dziurę. Oba nośniki zwiększają przewodnictwo tak długo, jak nie zrekombinują lub nie zostaną uwięzione na defektach. To zjawisko wymaga teorii pasmowej, której pionierzy XIX wieku jeszcze nie mieli.
W ciemności prąd jest dużo mniejszy
Historyczne badania Physical Review pokazywały ogromny kontrast pomiędzy prądem w ciemności i pod oświetleniem. Konkretna wartość zależy od odmiany selenu, temperatury, geometrii i jakości próbki.
Nie trzeba mechanicznie zmieniać kryształu
Wczesne hipotezy wiązały fotoprzewodnictwo z przejściami między odmianami selenu. Późniejsze eksperymenty wykazały, że szybka odpowiedź jest związana z elektronami wzbudzanymi światłem, nie z przebudową całego materiału.
Selen ma kilka odmian strukturalnych, a fotoprzewodnictwo silnie zależy od sposobu przygotowania. Amorficzne i krystaliczne formy mają inne pułapki, mobilności i widma absorpcji. Dlatego historyczne wyniki różniły się między laboratoriami, a rozwój praktycznych komórek wymagał kontroli czystości oraz struktury materiału. „Właściwość pierwiastka” w ciele stałym jest często w istocie właściwością konkretnej fazy i mikrostruktury.
Powstały pierwsze czujniki światła
Komórki selenowe pozwalały zamieniać natężenie światła na sygnał elektryczny. Używano ich w fotometrach, systemach sterowania i eksperymentach nad przesyłaniem obrazu.
Kserografia wykorzystała podobną własność
W bębnie kserograficznym światło lokalnie zmienia przewodnictwo warstwy fotoprzewodzącej, dzięki czemu rozkład ładunku elektrycznego może odwzorować obraz. Selen odegrał ogromną rolę w rozwoju tej technologii.
Pierwiastek wyprzedził teorię półprzewodników
Fotoprzewodnictwo selenu było badane dziesiątki lat przed współczesną teorią pasm i tranzystorem. Technicznie użyteczna własność została odkryta zanim fizycy dysponowali pełnym językiem wyjaśniającym jej mikroskopowy mechanizm.
W kserografii fotoprzewodnik jest najpierw elektrycznie ładowany w ciemności. Oświetlone fragmenty stają się bardziej przewodzące i tracą ładunek, podczas gdy ciemne zachowują go. Powstaje niewidoczny elektrostatyczny obraz, do którego przyczepia się toner. Kolejne generacje urządzeń zastąpiły selen innymi materiałami, ale zasada pozostaje doskonałym przykładem przekształcenia obrazu optycznego w mapę ładunku bez tradycyjnej fotografii chemicznej.
Fotoprzewodnictwo selenu miało także udział w pierwszych próbach przesyłania obrazu na odległość. Już pod koniec XIX wieku proponowano mozaiki komórek selenowych, które miały zamieniać lokalną jasność obrazu na sygnały elektryczne. Technologia była zbyt powolna i kosztowna dla praktycznej telewizji, ale koncepcja przewidywała późniejsze matryce światłoczułe. Współczesne CMOS i CCD działają w innych materiałach i według bardziej zaawansowanej architektury, lecz podstawowy motyw pozostał: foton tworzy ruchliwe ładunki, które można odczytać elektrycznie. Selen pokazuje, jak odkrycie pojedynczej niezwykłej cechy pierwiastka może wyprzedzić aparat teoretyczny o dziesięciolecia, a później zostać włączone do ogólnej fizyki półprzewodników. Od oporu zmieniającego się na słońcu prowadzi ciąg technologiczny do kopiowania dokumentów i elektronicznego obrazowania.
Właściwość światłoczułości zależy również od długości fali, ponieważ foton musi mieć wystarczającą energię do wzbudzenia nośnika. Dzięki temu fotoprzewodnik ma własne widmo czułości. Dobór materiału do detektora oznacza więc dopasowanie przerwy energetycznej i pułapek do zakresu światła, który ma być mierzony.