Фотоэффект внутренний, фотопроводимость. Механизмы рекомбинации. Фотосопротивления

Основным процессом фотопроводимости (внутреннего фотоэффекта) является появление свободных носителей заряда в полупроводнике под воздействием оптического возбуждения. В простейшем случае поглощение фотонов приводит к переходу электронов из валентной зоны в зону проводимости, где они находятся в свободном состоянии и могут участвовать в процессе переноса заряда. Вклад в проводимость дают также возникшие в валентной зоне дырки. Такой процесс носит название собственной проводимости. В примесном полупроводнике, кроме собственного фотоэффекта, возможно еще возбуждение электронов в зону проводимости с донорных уровней, а в полупроводниках р-типа можно возбуждать электроны из валентной зоны на акцепторные уровни, создавая при этом подвижные дырки (рис. 18). В обоих случаях примесной фотопроводимости в кристалле генерируются свободные носители заряда только одного знака. Фотопроводимость может возникать только при возбуждении коротковолновым излучением, когда энергия фотонов hn превышает либо ширину запрещенной зоны, либо энергию ионизации примесных уровней.

а б в

Рис. 18. Энергетическая схема полупроводника с собственной

проводимостью (а) и полупроводников с примесной

проводимостью n-типа (б) и р-типа (в).

Внутренний фотоэффект – это изменение сопротивления кристалла (материала), его электропроводности под действием света. При освещении увеличение электропроводимости происходит за счет роста концентрации носителей заряда в свободной зоне и увеличения их подвижности. Но увеличение подвижности не дает большого вклада в процесс проводимости, так как время, которое проводит носитель, освобожденный светом, в зоне проводимости порядка (10² – 10^-9) с, а время между столкновениями, время релаксации, равно (10^-12 – 10^-14) с. Носитель за время пребывания в зоне испытывает миллионы столкновений. Достаточно несколько десятков столкновений, чтобы носитель приобрел равновесную тепловую энергию. Как правило, в однородных образцах фотопроводимость вызывается увеличением концентрации свободных носителей заряда при освещении. Свет генерирует электронно-дырочную пару.

Напомним, что проводимость собственного полупроводника записывается в виде

s = е(nm_n + pm_p).

При поглощении фотонов, поскольку увеличение концентрации электронов и дырок одинаково, (Dn = Dp), изменение электропроводности равно

Ds = е(Dnm_n + Dpm_p).

Введём понятие время жизни свободного носителя заряда. Это время, в течение которого носитель вносит вклад в проводимость. Иначе говоря, это время, в течение которого возбуждённый электрон находится в зоне проводимости (t_n) или возбуждённая дырка – в валентной зоне (t_p). Если свет, падающий на полупроводник, создает g электронно-дырочных пар в секунду, то g×t_n = Dn, g×t_p = Dp. Тогда, Ds = ge (m_n^.t_n + m_p^.t_p).

При поглощении электромагнитной волны и слабой поверхностной рекомбинации собственная фотопроводимость описывается формулой:

s_фп = (1-R)×h×I₀×e(m_nt_n + m_pt_p),

где R – коэффициент отражения, I₀ – количество квантов, падающих на единицу поверхности за единицу времени, h - квантовый выход. Обычно говорят о времени жизни пары: электрон – дырка, оно равно времени жизни неосновных носителей заряда, время, пока электрон аннигилирует с дыркой, т.е. рекомбинирует. Процессы рекомбинации определяют время жизни свободных носителей, чувствительность фотоприемника. При рекомбинации должны сохраняться законы сохранения энергии и импульса. Если мы имеем собственный полупроводник, то t_n = t_p, и время жизни можно определить из измерений фотопроводимости. Другой метод определения времени жизни носителей заряда основан на изучении кинетики фотопроводимости: после выключения света фотопроводимость падает со временем по закону: ехр(-t/t).

Примесная фотопроводимость имеет место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной пары, но её достаточно, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуются свободный электрон и связанная дырка или свободная дырка и связанный электрон. Первое отличие примесной фотопроводимости от собственной состоит в меньшей энергии поглощённых квантов. В этой связи примесная проводимость открывает широкие возможности создания фотоприёмников ИК-диапазона.

Второе отличие состоит в том, что примесное поглощение ведёт к генерации лишь одного типа носителей – электронов или дырок. Третье отличие – в том, что эффективность примесного поглощения значительно меньше, чем собственного, обычно концентрация примесных атомов на 6 – 8 порядков меньше атомов самого полупроводника. Отсюда следует, что для реализации поглощения на примесях необходимо использовать полупроводники большой толщины, а это введёт к нежелательному увеличению длительности релаксационных процессов.

Механизмы рекомбинации. Основными видами рекомбинации являются:

1. Излучательная, межзонная рекомбинация. Энергия, которую от излучения получил электрон, выделяется в виде фотона, кристалл люминесцирует. Излучательная рекомбинация может быть прямой (для прямозонных полупроводников), без изменения импульса электрона, и непрямой (для непрямозонных полупроводников), с участием фонона. Этого типа рекомбинация в основном возможна лишь в чистых, безпримесных, материалах. Механизм излучательной рекомбинации является основой действия полупроводниковых лазеров и светодиодов.

2. Безизлучательная рекомбинация. Безизлучательная рекомбинация является доминирующим процессом во многих полупроводниках. Например, в германии безизлучательная рекомбинация в тысячу раз более вероятна, чем излучательные процессы. К рекомбинационным процессам, которые не приводят к излучению фотонов, в первую очередь относятся Оже-рекомбинация. При Оже-эффекте (ударная рекомбинация) энергия, высвобождаемая рекомбинирующим электроном, немедленно поглощается другим электроном, который затем рассеивает эту энергию путем испускания фононов.

3. К безизлучательной рекомбинации относится рекомбинация через примесные центры (механизм Шокли-Рида). Электрон захватывается примесным центром, а затем рекомбинирует со свободной дыркой. Физическая природа примесных уровней не всегда известна. Они могут принадлежать атомам примесей и дефектам структуры. Поверхность – это сильное возмущение решетки, создающее множество свободных связей, которые могут являться источниками примеси и действовать как рекомбинационные центры.

Концентрация центров рекомбинации может меняться от 10¹²см^-3 до 10¹⁹см^-3, что приводит к изменению времени жизни носителей от 10³с до 10^-14с. Процессы рекомбинации определяют время жизни носителей и чувствительность фотоприемников.

Приемниками излучения, работающими на основе внутреннего фотоэффекта, являются фотосопротивления (фоторезисторы). Они представляют собой тонкие полупроводниковые слои с контактами. Схема их включения в усилительную систему представлена на рис. 19. Через фотосопротивление, также как и через болометр, пропускается постоянный рабочий ток (темновой ток). Фотосопротивление подключается к источнику питания последовательно с нагрузочным сопротивлением.

Рис. 19. Принципиальная схема включения фотосопротивления.

R_ф- сопротивление приёмника излучения, U_п- напряжение питания,

R_н- сопротивление нагрузки.

Для достижения максимальной обнаружительной способности существует оптимальная толщина образца. В тонких пластинках поглощается меньше фотонов, но они всё-таки будут давать относительно большой вклад, так как достигается более высокая концентрация фотонов в малом объёме образца. Для изготовления фоторезисторов желательно подбирать полупроводники, в которых наблюдается большое время жизни носителей заряда, высокое отношение их подвижностей и малая плотность основных носителей заряда.

Основные характеристики фотосопротивлений:

S» (10³ – 10⁵) В/Вт,

D^* = (10⁹ - 10¹¹) см×Гц^1/2×Вт^-1.

R = (10³ – 10⁶) Ом,

t = (10^-3 – 10^-9) с,

l = (0.6 – 30) мкм,

Т = (300 – 4.2) К

Шумы: радиационный, температурный, джонсоновский, а также генерационно-рекомбинационный, который вызван флуктуациями числа и времени жизни носителей заряда; шум 1/f обусловлен технологией изготовления фоточувствительных элементов (контакты и состояние поверхности).

Различают собственные и примесные фотосопротивления, изготовленные из монокристаллов и поликристаллов, работающие как при комнатной температуре, так и при охлаждении. По характеристикам этого типа приемники излучения могут удовлетворить практически все требования заказчиков.

Спектральное распределение фоточувствительности теснейшим образом связано со спектрами поглощения полупроводника (рис. 20). Интенсивность света убывает по закону I = I_о exp (-a^.d), где a - коэффициент поглощения, d – толщина образца, I и I_o – прошедшая и падающая интенсивности света. Весь спектр можно разбить на две части: полосу собственного поглощения (а-б), непосредственно связанную с межзонными переходами, где коэффициент поглощения достигает больших значений (a = 10⁴ – 10⁶ см^-1) и область прозрачности (вправо от б), в которой поглощение сравнительно мало и обусловлено наличием примесей и свободных носителей заряда.

Рис. 20. Схема спектрального распределения поглощения и

фоточувствительности полупроводника.

1-полоса собственного поглощения (межзонные переходы),

2-поглощение, обусловленное ионизацией примесных уровней,

3-поглощение свободными носителями заряда,

4-фоточувствительность при собственном фотоэффекте,

5, 6-фоточувствительность при примесном фотоэффекте.

Казалось бы, что область фоточувствительности должна распространяться на всю полосу собственного поглощения. В действительности это не так: фотоэффект наблюдается только вблизи красной границы полосы поглощения, которая называется красной границей фотоэффекта. Связано это с тем, что при hn» Е_g коэффициент поглощения очень велик и практически весь свет поглощается в тонком поверхностном слое полупроводника. При этом концентрация фотоэлектронов оказывается большой, что увеличивает вероятность рекомбинации и уменьшает время жизни носителей заряда. Кроме того, в поверхностном слое всегда имеется большое количество примесей и дефектов, облегчающих рекомбинацию и снижающих подвижность свободных носителей практически до нуля. Всё это не вызывает заметного фотоэффекта.

Дата добавления: 2014-01-05