Фотоэлектрические явления в полупроводниках и переходах

Основные положения

Фотоэлектрические явления (ФЭЯ) - это электрические явле­ния (изменение электропроводности, эмиссия электронов, возникно­вение ЭДС и другие), происходящие в веществе при воздействии на него электромагнитного излучения оптического диапазона: Я = 10"' <-» 10³мкм, / = 310' <-> 310"Гц. Рабочий диапазон полу­проводниковых приборов = 0.2 - 20 мкм.

ОПТИЧЕСКИЙ

	-----				-------
раПГЕН. изл < 1		УФ		ик		РАДИОВОЛНЫ 1----- >

->А. = 10³мкм 0.38 0.78 I О³ мкм

(<-v = 3-10^l7/V) (3-10^пЛл

Рис. 8./.Спектр электромагнитных колебаний

ФЭЯ возникают в тех случаях, когда энергия поглощенного ве­ществом фотона (кванта электромагнитного излучения)

г- L. ^c'^h

Е = п ■ v =- затрачивается на квантовый переход электрона в со-

'К

стояние с большей энергией.

Характер протекающих процессов зависит от соотношения меж­ду энергией фотона и характерными энергиями вещества: энергия возбуждения атомов или молекул, энергия ионизации, работа выхода электронов и др.

Если в твердых телах (металлах, полупроводниках) энергия по­глощенного фотона достаточна для преодоления поверхностного по­тенциального барьера, то возникает фотоэлектронная эмиссия - внешний фотоэффект.

При меньших значениях энергии в полупроводниках поглоще­ние энергии приводит к появлению неравновесных носителей заряда (электронов и дырок проводимости), что проявляется в изменении электропроводности тела и/или возникновении в нем ЭДС - внут­ренний фотоэффект.

Т

Рассмотрим два, самых распространенных ФЭЯ, связанных _с внутренним фотоэффектом: 1) эффект фотопроводимости (фотор_еэн. стивный эффект); 2.) фотогальванический эффект. 8.2. Эффект фотопроводимости в полупроводниках Оптическое излучение, взаимодействуя с кристаллом полуцр₀_ водника, частично поглощается, частично отражается от его поверх, ности или проходит через кристалл без поглощения. Долю проходя- щей. отраженной и поглощенной энергии излучения оценивают соот­ветствующими коэффициентами: Р I. Коэффициент пропускания Т_ф=--f равен отношению мощно­го сти излучения, прошедшего через полупроводник, к мощности излу­чения падающего на его поверхность.

otf 1 ^L Р <1х

2. Коэффициент отражения К_ф -

(8.1)

Он равен относительному изменению мощности падающею из­лучения в слое полупроводника единичной толщины. Проинтегриру­ем выражение (8.1):

-<х_ф-х. p=P._e

(8.2)

3. Коэффициент поглощения

'[— = -а_ф fcir. In— =

мощность светового излучения

а_я

J, h ^ф J • P.

ft

х — -

To есть на расстоянии уменьшается в е раз.

В области фотометрии мощность электромагнитного излучения р [Ватт] характеризуется световым потоком (потоком излучения) Ф [люмен J.

Тогда из (8.2) получаем зависимость светового потока:

Ф(х) = Ф₀-ех pHv*) (8.3)

Плотностью фотонов /V,, называется число фотонов, падающих на единицу поверхности полупроводника в единицу времени (1с) при монохроматическом световом потоке (монохроматический - узкий диапазон гармонических волн, в котором сосредоточена основная ■энергия потока). Тогда световой поток равен: Ф_и = h ■ v • N₀.

Световой поток, взаимодействующий с кристаллом, с учетом коэффициента отражения Я_ф запишется в виде:

Ф(х) = (1 - Я_ф) ■ N₀ ■ h ■ v • ехр(-а₀ • х).

Рассмотрим спектр поглощения полупроводника - зависимость коэффициента поглощения а_ф от длины волны X (частоты v).

Типовой спектр поглощения полупроводника а_ф - f(X) показан

на рис. 8.3. Отдельные области спектра с локальными максимумами коэффициента поглощения соответствуют различным механизмам поглощения энергии в полупроводнике.

В полупроводнике различают несколько механизмов поглоще­ния энергии электромагнитного излучения:

1) собственное (основное, межзонное);

2) примесное;

3) экситоиное;

4) решетчатое:

5) поглощение свободными носителями.

При собственном поглощении энергия затрачивается на разрыв валентной связи в атоме и переводе электрона из валентной зоны в зону проводимости. Энергия фотона при этом должна превышать ширину запрещенной зоны: Е_ф = h\>AE₃. Граничные частота и дли- _Д£_:<, с • h

"а волны:, _гр - —,,,_г„

г h ^п АЕ,

В диапазоне волн X>X_n,,(v <\'_п,) коэффициент поглощения % резко уменьшается. Поэтом}' спектр собственного поглощения имеет четко выраженную границу, называемую красной границей

Фотоэффекта.

Рис. Я.2. Определение коэффициента поглощения излучения

Mcm "' Uc ^ om ' J /с обе me. (прям)

собств. (непрям) 04, ------------ С?ф ______ примеси решет свобоон носит

I0^J Х[мкм]

Рис. 8.3. Спектр поглощения излучения

Красная граница соответствует минимуму энергии фотона для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости. Перехо­ды электронов из валентной зоны в зону проводимости могут быть прямые (а) и непрямые (б) рис. 8.4.

Е.	' Г
л^4-
	------------------ ►

к = р1Ь

* = р/П

Рис. 8.4. Зависимость энергии от квазиимпульса: а при прямых переходах; о при непрямых переходах

При прямом переходе импульс электрона практически не изм^е няется. Так как импульс фотона ничтожно мал по сравнению с иМ пульсом электрона, им можно пренебречь.

Непрямые переходы происходят в полупроводнике с абсолЮ^г ными экстремумами -зоны проводимости и валентной зоны. расяо-¹⁰*

138

_ецньши в разных точках пространства квазиимпульсов. Для соблю- ения закона сохранения импульса требуется участие третьей (поми­мо электрона и фотона) частицы - фонона. которая заберет часть ква-,ццмпульса на себя.

Энергия, затрачиваемая на непрямой переход, меньше, чем на прямой. Однако вероятность непрямых переходов мала, поскольку,десь. в отличие от прямого, должны встретиться в одной точке не две. а три частицы. Поэтому коэффициент поглощения, связанный с _непрямыми переходами, относительно невелик.

С уменьшением длины волны излучения к (влево от красной границы) вначале происходят непрямые переходы, при которых тре­буется меньшая энергия фотона для ионизации атома (участок 2) ₍рис. 8.3). а затем с ростом энергии фотона будут только прямые пе­реходы (участок 1), так как вероятность непрямых переходов невысо­ка.

Граница собственного поглощения Х_п, приходится на видимую и инфракрасную часть оптического диапазона.

При примесном поглощении энергия фотона, затрачиваемая на ионизацию атомов примеси, много меньше ширины запрещенной зо­ны hv = АЕ_прт «АЕ._;. Энергия ионизации равна энергии перехода

электрона с донорного уровня в зону проводимости и из валентной юны на акцепторный уровень. Примесные уровни находятся вблизи границ соответствующих разрешенных зон.

Коэффициент примесного поглощения на несколько порядков меньше коэффициента собственного поглощения, так как плотность прпмесных состояний много меньше плотности состояний в разре­шенных зонах. Спектр примесного поглощения смещен в инфракрас­ную область относительно собственного поглощения.

Электроны в атомах примеси могут находиться как в основном, так и в возбужденном состояниях, и тогда степень ионизации атомов Р^лична. Поэтому спектр примесного поглощения состоит из не­скольких областей (участки 3 и 4).

Увеличение температуры способствует тепловой ионизации ^аточов примеси. Коэффициент примесного поглощения при этом •'^Меньшается. так как энер1ия фотонов не поглощается из-за отсутст- ^Ия ^ионизированных атомов.

При экситонном поглощении энергия фотона расходуется на название экситона. Экситон - электрически нейтральное возбуж-

^ie в кристалле (квазичастица), обусловленное появлением связан-

г-

139

ных (кулоновекими силами) друг с другом электрона и дырки. Пр_и экситонном поглощении энергия фотона меньше ширины запрещ_е„ ной зоны, поэтому электрон из валентной зоны не сможет перейти _в зону проводимости. Однако электрон способен удалиться от атом^ оставаясь связанным с образовавшейся дыркой. Связанная пар_а «электрон - дырка» может перемещаться вдоль кристалла, но. буду_Ч1| нейтральной, не создает электрического тока, и не повышает прово­димости. Влияние экситона на проводимость - косвенное. Энерщ_я экситонов квантована, а энергетические уровни располагаются _в верхней части запрещенной зоны.

Столкновение экситона с фотоном или фононом может привес­ти: 1) к потере им энергии, что эквивалентно возвращению электрона на энергетический уровень в валентную зону; 2) к получению им энергии и тогда электрон переходит в зону проводимости с образова­нием в валентной зоне свободной дырки. В обоих случаях экситон распадается. Спектр экситонного поглощения состоит из узких пиков вблизи красной границы Х,_т.

Решетчатое поглощение. Если кристаллическая решетка полу­проводника содержит атомы различного типа, то ее можно рассмат­ривать как систему электрических диполей. Диполь - система элек­трических зарядов, внешнее электрическое поле которых аналогично полю двух разноименных точечных зарядов, равных по абсолютной величине.

Диполи наиболее интенсивно поглощают энергию излучения на собственных частотах колебаний. Поглощение излучения сопровож­дается генерацией большого числа фононов. При этом увеличивается тепловая энергия полупроводника, повышается концентрация сво­бодных носителей заряда, изменяется их подвижность и энергия.

Спектр решетчатого поглощения состоит из нескольких облас­тей в дальней инфракрасной части оптического диапазона (участок J на рис. 8.3).

Поглощение излучения свободными носителями заряда в зоне проводимости и в валентной зоне связано с их переходами с одних энергетических уровней на другие в пределах зоны. Спектр поглоще­ния из-за малого энергетического зазора (уровней в разрешенных зо­нах) практически непрерывный и смещен в длинноволновую область оптического диапазона (область малых энергий фотонов). Коэфф"^иИ' ент поглощения невелик из-за малой концентрации свободных носи­телей в полупроводнике, но

фотопроводимость. При эффекте фотопроводимости происхо-,_т изменение электропроводности полупроводника под действием этического излучения.

Если поток излучения отсутствует (Ф = 0) и Т= const, то прово­димость (темновая) определяется по формуле (5.4): _Д) = q{n₀ ■ Ц„ + Ра ■ Ц_г). где щ и р₀ - равновесные концентрации элек-

_тр0нов и дырок.

При поглощении излучения в полупроводнике генерируются из­быточные носители заряда. Если значения светового потока постоян- _но (Ф ~ const), а также постоянны подвижность носителей ц и время их жизни т, то насту пает состояние динамического равновесия с кон­центрациями избыточных носителей равными An и Ар. В этом слу­чае проводимость полупроводника изменяется на величину:

a_cl,=q(An-n_n+Ap-\i_p), (8.5)

называемую фотопроводимостью.

Полная проводимость полупроводника равна:

а = сг_о + а₀ (8.6)

Спектральная характеристика фотопроводимости а_ф=/(\,\) приведена на рис. 8.3. Концентрация неравновесных носителей заря­да. определяющих фотопроводимость, зависит от механизма погло­щения и параметров полупроводника.

При собственном поглощении красная граница фотопроводи­мости совпадаете Х_п, собственного поглощения а_ф.

При уменьшении длины волны, фотопроводимость а_ф резко увеличивается из-за генерации пар свободных носителей заряда, дос­тигает максимума, а затем начинает спадать.

Причиной уменьшения а_ф является уменьшение области гене­рации свободных носителей заряда, так как при уменьшении длины вшиты, увеличивается коэффициент собственного поглощения а_ф, Операция перемещается в быстро сужающийся приповерхностный ^сло" полупроводника, где поглощается основная часть энергии излу- ^Чения. Кроме того, из-за поверхностных явлений увеличивается ско­рость рекомбинации неравновесных носителей заряда, уменьшается ^ЬР°^Мя жизни, а следовательно, уменьшается а_ф.

При собственном поглощении происходит генерация пар носи- ^Лей заряда, то есть концентрации избыточных носителей равны

А

An = Ар. поэтому фотопроводимость при собственном ПОГЛОЩ_еИи называется бинарной.

При примесном поглощении в полупроводнике возрастает коц центрация носителей заряда только одного знака, и фотопрово _1и мость называется у ниполярной (участки 3. 4).

При определенных условиях на проводимость могут также вти я гь экситоны. которые способны переносить энергию по кристаллу _и возбуждать носители заряда из атомов примесей или ловушек. Сами они также могут увеличивать фотопроводимость, распадаясь в облас­ти неоднородности кристалла на два свободных носителя заряда.

Поглощение энергии свободными носителями заряда не меня­ет их концентрацию, но увеличивает подвижность р; фотопроводи­мость в этом случае называется ц- проводимостью.

При решетчатом поглощении увеличивается температура, на фотопроводимость оказывают влияние два противоположных факто­ра: 1) при увеличении температуры увеличивается концентрация сво­бодных носителей и их энергия, что увеличивает фотопроводимость <у_ф; 2) уменьшается подвижность р, что ведет к уменьшению а_ф.

Эффективность поглощения оценивается квантовым выходом полупроводника:

Ап + Ар

кг ^(8Л)

N₀{x)

- отношение числа неравновесных избыточных носителей заряда к числу поглощенных фотонов.

Дата добавления: 2015-11-26