Каленик Д.В. Технология материалов электроники. Часть 1 (2001) (1152092), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Длина волны связана с частотой через скорость светас = λν, а частота – с энергией фотона Эф = hν через постоянную Планка. Поэтомуреальная оптика занимает диапазон частот 1,5⋅1013…1,5⋅1015 Гц и энергий 0,05…5эВ. Физики говорят также о “цвете” фотона (λф = 555 нм – середина видимогодиапазона – зеленый фотон; λф = 680 нм – красный).Важнейший и первый механизм поглощения – собственное поглощение. Когдаэнергия фотона Эф > ∆Э, фотоны могут разрывать электронные связи атомов кристаллической решетки полупроводника и образовывать электронно–дырочныепары.
По мере увеличения длины волны (уменьшения энергии фотона до Эф ≈ ∆Э,λф = λкр), поглощение будет уменьшаться.Внутренний фотоэффект при Эф>∆Э называется собственным, потому чтоэлектроны и дырки при этом, всегда образуются парами, так же как в собственномпроводнике под действием тепловых колебаний решетки. Электроны и оставляемые ими дырки, в момент образования должны иметь одинаковые импульсы (квазиимпульсы), такие переходы называются прямыми. Фотоны с энергией Эф<∆Эобразовывать электронно–дырочные пары не способны, но в реальноиспользуемых полупроводниках всегда присутствуют примеси, и даже при Эф<∆Э66энергия кванта может быть достаточной для того, чтобы разорвать более слабуюсвязь между донором и электроном, и создать свободный фотоэлектрон (илиспособствовать переходу электрона от атома решетки к атому акцептора собразованием дырки). Так как энергия ионизации примесей меньше ∆Э,примесное поглощение смещено от λкр собственного поглощения в инфракраснуюобласть спектра.
Взаимодействие фотонов с примесными атомами носитрезонансный характер и вероятность поглощения падает, если энергия фотоновзначительно разнится от энергии ионизации примеси.В некоторых полупроводниках при поглощении фотонов образуются особыевозбужденные состояния электронов валентной зоны (экситоны).
Экситон – этосистема взаимосвязанных собственно электрона и оставленной им дырки. Он напоминает атом водорода, в котором роль ядра играет положительная дырка.Схемы переходов при различных механизмах оптического поглощения –см.рис.2.13. Энергетические уровни возбужденного электрона–экситона лежатниже края зоны проводимости, разделенной пары не образуется. Экситон можетперемещаться по кристаллу хаотически и, будучи электрически нейтральным, нереагирует на слабое внешнее поле (не создает электрического тока). При столкновениях с примесными атомами может либо “разорваться” и образовать два носителя, либо рекомбинировать, что сопровождается выделением, либо поглощениемтепловой энергии.
Все процессы переходов с участием тепловых фононов называются непрямыми, при этом, в каждом акте поглощения принимают участие недве, а три “частицы”: фотон, электрон и фонон, т.е. квант теплового поля.Последний компенсирует разность значений импульса электрона в начальном иконечном состояниях. Вероятность осуществления и показатель поглощениянепрямых переходов меньше, чем прямых, поскольку для осуществлениянепрямых переходов требуется взаимодействие трех “частиц” с согласующимисяпараметрами.Поглощение света производится и носителями заряда и кристаллической решеткой.
Обычно взаимодействие света с носителями и решеткой превращается втепловую энергию, не является фотоактивным и накладывается на примесное поглощение. Для детального изучения последнего, необходимо убрать этот фон. Этодостигается охлаждением кристалла до температуры значительно меньшей, чемтемпература примесного истощения. На рис. 2.14 показана схема полного спектрапоглощения полупроводника при разных механизмах поглощения, а на рис. 2.15 –типичная зависимость показателя поглощения от длины волны λ для кремния p–типа при комнатной температуре, с учетом одновременного воздействия всехмеханизмов. Качественно такой же вид имеют зависимости а(λ) для кремния n–типа, а также Ge, GaAs, JnP и других полупроводников. На кривой 1 видны пикипримесного поглощения, слабо выраженные на фоне поглощения светаносителями заряда.
Из рис. 2.15 видно, что тонкая кремниевая пластинкаполностью поглотит видимый спектр волн. Кремниевые (Ge, GaAs) пластиныиспользуют в качестве простых и эффективных фильтров, полностью отсекающихкоротковолновое излучение. В то же время инфракрасное излучение с длиной67волны λ=1,2 мкм, пройдет сквозь пластинку, практически не поглотившись(оптическое окно).Фотопроводимость ∆γравна разности проводимостей на свету и втемноте: ∆γ = γС – γT = e∆nµn + e∆pµp, т.е. на фотопроводимость влияет не любоепоглощение излучения, а только активное, которое вызывает изменениеконцентраций (∆n и ∆p).
Скорость генерации носителей qo определяетсяинтенсивностью падающего излучения J и показателем поглощения а: qo = ηoaJ,где ηо – квантовый выход внутреннего фотоэффекта.Квантовым выходом называется количество пар носителей заряда, приходящееся на один поглощенный квант. В фотоэлектрически активной области ЭМ излучения, квантовый выход чаще всего равен единице, экспериментально это подтверждается. Например, в германии каждый фотон с длиной волны 1,0…1,8 мкм,образует одну пару электрон–дырка. Спектральная зависимость проводимости(рис.2.16) соответствует спектрам оптического поглощения с учетом активностипоследнего.
Примесное поглощение характеризуется максимальным значением иплавным уменьшением проводимости в обе стороны от него, что обусловлено резонансным характером оптического поглощения (кривая 4 на рис.2.14).Положение границы собственной проводимости соответствует границе собственного поглощения (λкр). Однако, с увеличением энергии фотонов, спектральнаякривая внутреннего фотоэффекта проходит через максимум и спадает в областималых λ, несмотря на сильное поглощение света (см.рис.2.17). Дело в том, что закон, по которому плотность фотонов убывает с координатой x (закон Бугера–Ламберта): N(x)=Noexp(–ax).Плотность потока фотонов экспоненциально спадает вглубь от поверхностиполупроводника (рис.2.18), характер распределения лучистой энергии зависит отвеличины а и толщины d пластины. При аd>>1, световой поток полностьюпоглощается в образце, более того, практически все фотоны поглощаются в узкой,поверхностной области (кривая 3, рис.2.18).
Время жизни τ неравновесныхносителей вблизи поверхности на 3…4 порядка меньше (велико числоповерхностных уровней, играющих роль рекомбинационных центров, прибольшой локальной концентрации носителей, они сталкиваются друг с другом итоже рекомбинируют), чем время жизни в объеме полупроводника. В результате,фотопроводимость уменьшается. Приемником энергии света обычно являетсячеловеческий глаз, фоточувствительные слои, фотоэлементы. Все эти приемникине обладают одинаковой чувствительностью к лучистой энергии различных длинволн и являются селективными (избирательными) приемниками с узкимдиапазоном восприятия. Человек наиболее эффективно воспринимает свет сдлиной волны λ=555 нм (желтозеленые фотоны). Энергия света с λ=510 нм и 610нм должна быть в два раза большей, чтобы зрительные ощущения были такимиже.
На рис.2.19 показаны кривые спектральной чувствительностифотопроводимости различных полупроводниковых материалов фоторезисторов.Примеси могут играть важную роль и в механизме собственнойфотопроводимости.68Рис.2.14. Зависимость спектральногопоказателя поглощения а от длины волныпадающего излучения:1− собственное поглощение;2− экситонное поглощение;3− поглощение света носителями заряда;4− примесное поглощениеРис. 2.15. Типичная зависимость показателя α от длиныволны λ при комнатной температуре (на примере Si pтипа).Кривыесоответствуютразличнымконцентрациям примеси (бор).69Рис.2.16.Спектральнаязависимостьфотопроводимостиполупроводников:С−собственная; П− примесная проводимостьРис.
2.17. Качественный ход зависимостиспектральнойпоказателякоэффициентапоглощенияα(λ)(кривая1)ифотопроводимости ∆σст(λ) (кривая 2) вобласти собственной проводимости70Введением специальных примесей, (центров сенсибилизации) можносущественно усилить собственную фотопроводимость. Среди полупроводниковых материалов, для фоторезисторов, следует выделить соединения АIIBVI(сульфиды и селениды Сd – CdS, CdSe, видимое излучение), сульфид Рb(РbS) иHg1–xCdxTe(областьспектральнойтвердыерастворыРb1–хSnxTe,чувствительности 1…15 мкм). Высокой чувствительностью в ИК–области спектраобладают узкозонные полупроводники АIIIBV – JnAs и JnSb.
Особо следуетупомянуть полупроводниковый материал CdHgTe, знаменитый стратегическийматериал КРТ с ничтожно малой энергией ∆Э образования электронно–дырочнойпары. Чтобы повысить чувствительность и убрать температурный фон, датчикохлаждается до температуры жидкого гелия. Прибор располагается на спутникеЗемли и позволяет с высокой точностью зарегистрировать температуру земныхобъектов по испускаемому инфракрасному излучению. С помощью такихприборов обнаруживаются и фиксируются объекты различного назначения наповерхности и вблизи поверхности Земли.Люминесценция – нетепловое ЭМ излучение, обладающее длительностью,значительно превышающей период световых колебаний.
Это неравновесноесостояние, для его осуществления требуется возбуждение каким–либоисточником (излучением, электрическим полем), оно может быть результатомхимической реакции или механического воздействия. Акты возбуждения иизлучения разделены промежуточными процессами, что обеспечиваетдлительность свечения после прекращения возбуждения.
Люминофоры (иногдакристаллофосфоры) – вещества, способные люминесцировать, среди нихмногочисленная группа полупроводников с широкой запрещенной зоной.Разделение – по виду возбуждения.Фотолюминисценция (возбуждение оптическое), подчиняется закону Стокса–Ломмеля. При этом максимум спектра излучения смещен в сторону болеедлинных волн (результат частичного рассеивания энергии в люминофоре).
Впоследнее время найдены антистоксовые люминофоры. При высокой плотностиоптического возбуждения с помощью лазера в некоторых материалах можнопреобразовать инфракрасное излучение в видимый свет. Люминесцентныесвойства определяются концентрацией примесей и дефектов структуры.Примесные атомы образуют локальные уровни в запрещенной зоне и называютсяактиваторами люминесценции, тип его часто определяет спектр излучения.Примерами активаторов могут быть Сr в рубине Аl2O3 , Nd в гранате Y3Al5O12 ,Mn в сфалерите ZnS. В этом случае кристаллическая решетка играет пассивнуюроль (матрица).В большинстве случаев в полупроводниках люминесценция обусловленарекомбинацией неравновесных носителей (рекомбинационное излучение).Излучательные квантовые переходы могут происходить спонтанно ивынужденно.
Спонтанное излучение некогерентно, мало зависит от внешнихвоздействий, разновременно. Особенность вынужденного (стимулированного)возбуждения состоит в том, что испускаемые фотоны имеют ту же частоту,71Рис. 2.18. К определению показателя поглощения a. Плотностьсветового потока (плотность потока фотонов) N экспоненциальноспадает от поверхности вглубь полупроводника в соответствии сзаконом Бугеля−Ламберта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
