Фотоэлектрические явления в структурах с p-n-переходами

1. Электронно-дырочные переходы (фотодиоды, фототранзисторы и др.) Приборы основаны на пространственном разделении неравновесных носителей потенциальным барьером неоднородной полупроводниковой структуры. На рис.18 показаны энергетические диаграммы p-n-перехода в темноте и на свету. При освещении фотоны с энергией большей ширины запрещённой зоны происходит генерация пар (б). Поведение неравновесных носителей зависит от того, где они возникают, т.е. в каком месте структуры поглощается излучение. Плотность основных носителей по обе стороны границы раздела остаётся неизменной. Если же излучение поглощается в p-области, то электроны на расстояниях меньше длины диффузии L_n смогут достигнуть перехода. Барьер способствует переходу электронов в n-область. Аналогичная ситуация, когда излучение поглощается в полупроводнике. Тогда через переход в p-область перебрасываются только дырки. Когда пары генерируются в области объёмного заряда, тогда поле перехода «разводит» носители в те области, где они являются основными. Т.о. переход играет роль «стока» неосновных носителей.

Результатом является разделение неосновных носителей и уменьшение потенциального барьера перехода U_D. Это можно представить, как следствие частичной нейтрализации объёмного заряда p-n-перехода. Уровни Ферми в объёме полупроводниковой структуры оказываются смещёнными друг относительно друга на DU. Эта разность, возникающая на контактах диода, зависит от сопротивления внешней цепи и достигает максимального значения при её разрыве (режим холостого хода). Генерация вентильной ЭДС при засветке p-n-перехода является основой функционирования фотоэлектрических преобразователей энергии, например, солнечных батарей и фотоприёмников, работающих в вентильных режимах. Одним из наиболее используемых в фотоприёмниках вариантом, включающем p-n-переход, является фотодиодный режим, когда на переход подаётся запирающее напряжение.

2. Гетеропереходы в области гомогенных переходов, в которых используются полупроводники с неизменным химическим составом, осуществляются в одном кристалле. Контактируют материалы различной DW, различными зонными структурами, эффективными массами носителей по обе стороны границы, подвижностями и др. В зонной диаграмме резкого гетероперехода за счёт различия электронного сродства контактирующих полупроводников появляются разрывы в валентной зоне (DW_в) и в зоне проводимости (DW_е). Это приводит к различию в высоте потенциальных барьеров для электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне и определяет ряд особенностей прохождения электрического тока через такие структуры (односторонняя инжекция носителей тока из широкозонного материала в узкозонный, «суперинжекция» и др.). Инжекционные токи электронов и дырок в первом приближении отличаются на фактор

Однако необходим также учёт поверхностных состояний на границе дополнительно искривляющих зоны.

Использование гетеропереходов улучшает характеристики фотоприёмников и фотопреобразователей, возможна разработка новых типов фотоприборов. Наличие широкозонного окна для фотонов DW₂>hn>DW₁ обеспечивает эффективное фотопреобразование, т.к. место генерации носителей и область, где они разделяются (область пространственного заряда) совмещены. Облегчаются требования к длине дрейфа. Поэтому обеспечивается максимальное быстродействие, исключаются рекомбинационные потери на освещаемой поверхности, а также реализуется выход рекомбинационного излучения без поглощения и удлинения «хвоста» у электрического сигнала.

На основе гетеропереходов, управляя составом компонент можно создавать фотоприёмники, чувствительные в наперёд заданной области спектра, т.н. «селективные» фотоприёмники. Это особенно важно для лазерных применений.

3. Металл-полупроводниковые контакты (диоды Шотки). Широко используются при создании фотоприёмников. Обычно поверхность полупроводника покрыта слоем окисла, образующего между металлом и полупроводником диэлектрическую прослойку. На границах диэлектрического слоя с металлом и полупроводником, а также внутри его существуют поверхностные электрические состояния (ПЭС). Они принимают участие в обмене носителями между металлом и полупроводником. Чтобы это убрать, оксидный слой в технологии перехода исключают. Пространственный заряд приповерхностной области полупроводника обусловлен переносом электронов (полупроводник n-типа) из зоны проводимости полупроводника в металл. Одновременно электроны уходят в металл и с приповерхностных состояний, расположенных между дном зоны проводимости и уровнем Ферми, оставляя на этих состояниях положительный заряд. В результате высота барьера в полупроводнике определяется разностью между работами выхода металла и электронным сродством полупроводника, а также распределением поверхностных состояний по энергиям.

В настоящее время распространены такие фотоприёмники с двумя видами фотопереходов в барьерах Шотки. Во-первых, используются межзонные переходы в полупроводниках, во-вторых, используется фотоэмиссия из металла в полупроводник. Каждый из этих переходов даёт вклад в фототок в различных областях спектра. Длинноволновая граница собственно фотоэффекта определяется DW полупроводника, а для фотоэмиссии у металла - высотой потенциального барьера в полупроводнике со стороны металла, которая меньше DW.

4. Фотоэлектрические явления в поликристалических, многослойных и неоднородных структурах.

Фотоприёмные устройства на основе тонкоплёночных полупроводниковых конструкций ныне широко применяются для различного рода регистрации оптических сигналов. Используются напылённые плёнки, спечёные слои и монокристаллические в органических биндерах. Это приводит к возникновению периодически изменяющихся зонных структур. Особенности структуры таких материалов определяют механизмы токопрохождения и фоточувствительности, отличающиеся от свойств монокристаллов. Наиболее ярко особенности структуры проявляются в монокристаллических порошках (например, спечённых) и плёнках CdS и CdSe с использованием CdCl₂ в качестве флюса, а также в текстурированных структурах. Поверхностные эффекты здесь имеют исключительно большое значение, т.к. велико отношение площади к объёму. Хемосорбированный кислород играет роль глубокой ловушки электронов на поверхности. Фоточувствительность монокристаллических порошкообразных фотопроводников повышается с увеличением приложенного напряжения. Для получения такой же, как в монокристаллах фоточувствительности необходимы поля порядка 10⁴В/см.

Фотоэлектрические явления в МДП-структурах.

Если к металлическому слою приложить постоянное положительное смещение, электроны будут аккумулироваться у поверхности раздела полупроводника с диэлектриком. Из-за увеличения их концентрации у поверхности полупроводника возрастёт поверхностная проводимость. Это состояние называется «состоянием обогащения». Если к металлу теперь приложить небольшое отрицательное напряжение, в полупроводнике начнёт индуцироваться положительный заряд. Это - индуцированныей неподвижный заряд доноров, возникающий из-за отталкивания от поверхности раздела отрицательным напряжением на металлическом слое. Под поверхностью образуется слой свободный от подвижных электронов. Это - обеднённое состояние. При увеличении отрицательного напряжения уровень Ферми может оказаться ниже середины запрещённой зоны W_i. Это значит, что вблизи поверхности дырок будет больше, чем электронов, т.е. знак проводимости приповерхностной области изменяется на противоположный и образуется слой p-типа. Это называется инверсией приповерхностной проводимости.

На поверхности полупроводника имеются поверхностные частично заполненные ПЭС - уровни, расположенные в запрещённой зоне. Они возникают, во-первых. из-за нарушения (разрыва) периодичности кристаллической решётки (уровни Тамма) и, во-вторых, из-за адсорбции различных примесей из окружающей среды в момент изготовления. Акцепторные уровни W_t на поверхности также расположены ниже уровня Ферми. Приповерхностный слой обеднён электронами и в нём образуется положительный заряд. Возникшее электрическое поле создаёт изгиб зон у поверхности величиной qW_s, где W_s образует поверхностный потенциал. Т.о. здесь изгиб зон есть и в отсутствие внешнего напряжения. Носители на поверхностных уровнях не учавствуют в проводимости. К её изменению приводит лишь изменение заряда в приповерхностной области полупроводника. Чем меньше концентрация поверхностных состояний, тем больше изменяется заряд в этой области и, соответственно, поверхностная проводимость при изменении внешнего напряжения. Наоборот, при большой концентрации поверхностных состояний изменение внешнего напряжения приводит лишь к изменению заряда на поверхностных состояниях.

Т.о. в зависимости от знака и величины внешнего напряжения поверхностная проводимость может уменьшаться, увеличиваться, а также менять знак носителей. Изменение поверхностной проводимости полупроводника является составной частью МДП-структуры при изменении напряжения на ней, что называется «эффектом поля». Это используемо во многих фотоприёмниках, содержащих такие структуры.

Дата добавления: 2015-12-08