Фотопроводимость полупроводников

Электромагнитные явления на границе раздела сред

8.4.1. p-n – переход

Рассмотрим процессы, протекающие на границе раздела двух полупроводников p- и n - типа (рис. 8.12).

Поскольку в полупроводнике p-типа имеется повышенная концентрация дырок, а в полупроводнике n-типа – повышенная концентрация свободных электронов, то первоначально развивается процесс диффузии дырок в n-полупроводник, электронов в p-полупроводник.

В приграничной области образуется так называемый двойной электрический слой из перешедших границу электронов и дырок, который препятствует дальнейшему переходу носителей. Таким образом, направленная диффузия электронов и дырок приводит к появлению скачка потенциала на границе раздела полупроводников.

При подключении источника ЭДС к системе полупроводников возможны два случая: а) увеличение скачка потенциала (непропускное направление); б) уменьшение скачка потенциала (пропускное направление). При подключении источника в непропускном направлении (²плюс² источника подключается к n-полупроводнику) переход основных носителей еще больше затрудняется. Система полупроводников в указанном направлении характеризуется большим сопротивлением, протекающий при этом ток малой величины обусловлен движением неосновных носителей (дырок в полупроводнике n-типа и электронов в полупроводнике p-типа).

При подключении источника в пропускном направлении (²плюс² источника подключается к p-полупроводнику) диффузия основных носителей возобновляется. Данное направление в системе полупроводников характеризуется большой электропроводностью.

На рис. 8.13 представлена вольтамперная характеристика p-n – перехода, т. е. зависимость силы тока от приложенного к системе электрического напряжения в прямом и обратном (пропускном и непропускном) направлении. Прямой ток в десятки и сотни раз превышает обратный. Благодаря указанному эффекту p-n – переход используется для создания полупроводниковых диодов – выпрямителей переменного тока.

Фотопроводимость полупроводников – это увеличение их электропроводности под действием электромагнитного излучения. Она связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. Когда энергия фотонов, падающих на полупроводник, равна или больше ширины запрещенной зоны (hn>>DW), электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости, что приводит к появлению добавочных (неравновесных) электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. В результате возникает собственная фотопроводимость – электронная и дырочная.

Фотопроводимость может возникнуть и при hn<DW, но в этом случае фотон должен обладать энергией hn>>DW_D для полупроводников с донорной примесью, а для полупроводников с акцепторной примесью – hn>>DW_A. В результате при поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n-типа. В случае полупроводников p-типа переход электронов происходит из валентной зоны на акцепторные уровни. Возникает примесная фотопроводимость либо чисто электронная (в полупроводниках n-типа), либо чисто дырочная (в полупроводниках p-типа).

Следовательно, если энергия фотонов больше ширины запрещенной зоны, что характерно для собственных полупроводников, или больше энергии активации примесных атомов для примесных полупроводников, то в полупроводнике возможна фотопроводимость, т.е. условиями существования фотопроводимости полупроводников являются соотношения

и , (8.30)

где h – постоянная Планка;

n – частота электромагнитного излучения (фотона),

DW – ширина запрещенной зоны;

DW_n – энергия активации примесных атомов.

Из формул (8.30) можно определить так называемую красную границу фотопроводимости, т.е. такую длину (частоту) волны электромагнитного излучения, при которой фотопроводимость возможна:

· для собственных полупроводников

; (8.31)

· для примесных полупроводников

. (8.32)

Расчеты показывают, что красная граница фотопроводимости собственных полупроводников соответствует видимой области спектра, а примесных полупроводников – инфракрасной области.

В коротковолновой части спектра уменьшение фотопроводимости можно объяснить скоростью рекомбинации в условиях сильного поглощения в тонком поверхностном слое (~1 мкм,»10^-6 м^-1).

Помимо поглощения, приводящего к возникновению фотопроводимости, в полупроводниках возможен так называемый экситонный механизм поглощения.

Экситоны представляют собой электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки (квазичастицы), возникающие в случае возбуждения с энергией меньшей ширины запрещенной зоны. Энергетические уровни экситонов располагаются вблизи дна зоны проводимости. Так как они электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к дополнительному появлению носителей проводимости, поэтому экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости полупроводников.

Дата добавления: 2017-02-01