1629382485-048081f33d7067cb67d6bd3d4cee7eee (846428), страница 72

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 72)

Причем время tp, как правило,значительно меньше среднего времени жизни свободной частицы,разделяющего моменты генерации и рекомбинации частиц.Длинноволновая граница епектра собственного поглощенияопределяется величиной А Е а, т. е. той минимальной энергиейфотона, которая при поглощении может вызвать межзонный пере­ход.

Для большинства полупроводников собственное поглощениев зависимости от ширины запрещенной зоны наблюдается в види­мой . и ближней инфракрасной областях.Экситонное поглощение. При поглощении фотона возможнои такое возбуждение валентного электрона, при котором он несовершает межзонный переход, а образует с дыркой связаннуюэлектронно-дырочную пару, которая получила наименованиеэкситона.

В экситоне электрон и дырка связаны кулоновскнмвзаимодействием с учетом диэлектрической постоянной е0 и от­носительной диэлектрической проницаемости кристалла е. Экситон принято рассматривать как некоторую частицу с собственнойэффективной массой М * = т% + т%.Экситон характеризуется набором собственных значений энер­гии, образующих водородоподобный энергетический спектр, ле­жащий в пределах запрещенной зоны полупроводника.

Спектрэкситонного поглощения полупроводника содержит, таким обра­зом, ряд экстремумов, отвечающих образованию экситона с энер­гией, соответствующей одному из возможных состояний..Примесное поглощение. Этот вид поглощения света связанс ионизацией или возбуждением примесных атомов. Поглощениефотонов вызывает переходы электроновдонорных атомовв зону проводимости или же переход валентных электронов полу­проводника на акцепторные уровни. Могут наблюдаться такжепереходы электронов примесных центров на энергетические уровнивозбуждения этих атомов. Энергия ионизации примесных атомоввеществ, которыми обычно легируются полупроводники, в десяткии сотни раз меньше ширины запрещенной зоны и лежит обычнов пределах сотых долей электронвольта.

Поэтому спектр примес­ного поглощения располагается обычно за длинноволновой гра­ницей собственного поглощения. Спектры примесного поглощенияохватывают широкие полосы частот, так как электроны донорныхатомов при поглощении света могут переходить на свободныеэнергетические уровни в зоне проводимости, лежащие достаточнодалеко от ее. дна, а ионизация акцепторных атомов может проис­ходить за счет перехода электронов с более глубоких энергетиче­ских уровней валентной зоны.В результате примесного поглощения, как и в случае терми­ческой ионизации атомов примесей, генерируются подвижные но­сители лишь одного знака: электроны в зоне проводимости приионизации донорных атомов и дырки в валентной зоне при иониза­ции акцепторных атомов.

Сами атомы примесей в процессе фото­ионизации превращаются в ионы с единичным электрическим за­рядом.Понятно, что коэффициент поглощения а0 в случае примесногопоглощения существенно зависит от температуры. При комнат­ных температурах мелко залегающие уровни примеси почти всетермически ионизированы, поэтому вероятность примесного пог­лощения фотонов невелика; при более низких температурах интен­сивность примесного поглощения увеличивается.Другие виды поглощения. Помимо собственного и примесногов полупроводниках наблюдается также поглощение фотоновсвободными носителями зарядов и самой кристаллической решет­кой. В первом случае свободные носители зарядов — электроныв зоне проводимости и дырки в валентной зоне, поглощая фотоны,переходят на более высокие свободные энергетические уров­ни. Эти переходы непрямые и сопровождаются вследствие этогопоглощением фонона.

Коэффициент поглощения света свободнымичастицами пропорционален их концентрации, квадрату длиныволны падающего излучения и обратно пропорционален подвиж­ности р, и эффективной массе. Коэффициент а0 в этом случаесоставляет около 100—500 см '1.В полупроводниках со сложной зонной структурой, напримерв кремнии (см. рис. 9-1, в), в результате поглощения квантов светавозможен переход свободных частиц из одной долины в другую,что, как известно, может привести к изменению их эффективноймассы.Поглощение света кристаллической решеткой обусловлено вза­имодействием электромагнитного поля световой волны с колеба­ниями узлов решетки.

Энергия фотонов при таком взаимодействиипереходит в энергию фононов. Поскольку такое взаимодействиеносит резонансный характер, спектр поглощения света решеткойпредставляет собой ряд пиков поглощения, соответствующих раз­личным длинам волн падающего света.Таким образом, поглощение света полупроводниками связанос различными физическими явлениями в кристалле. В результатепоглощения могут образоваться дополнительные свободные носи­тели зарядов и, следовательно, изменится электрическое сопро­тивление кристалла ( фоторезистивный эффект).При облучении полупроводникового кристалла, содержащегоэлектрический переход, может возникнуть электродвижущая силамежду двумя разнородными областями полупроводника или междуполупроводником и металлом ( фотогалъванический эффект). Этии другие физические эффекты лежат в основе работы различныхфотоэлектрических полупроводниковых приборов.14-3.

Ф О ТО РЕ ЗИ СТИ ВН Ы Й ЭФФ ЕКТОпределение. Фоторезистивным эффектом называют измене­ние электрического сопротивления полупроводника, обусловлен­ное исключительно действием электромагнитного излучения и несвязанное с его нагреванием.Фотопроводимость. Иными словами, при облучении полупро­водника светом его проводимость изменяется на некоторую вели­чину, называемую фотопроводимостью.Положим, что п0 и р 0 — концентрации равновесных носите­лей в собственном полупроводнике. Тогда его равновесная про­водимость (в отсутствие освещения) равна:0О= е (иощ + РоН-р)-(14-7)Эту проводимость часто называют темновой проводимостью.При освещении полупроводника в результате собственногопоглощения концентрации подвижных носителей изменяются довеличин п0 + Ап и р 0 + Ар и его проводимость равна:<т= е[(п0+ Дга)(Ап + (/>0 + Др)|Лр].(14-8)Превышение проводимости а над темновой проводимости а 0 —это и есть фотопроводимость полупроводника:аф= а — сг0 = ? (ДяЦп + Др^р).(14-9)В случае примесного поглощения в полупроводнике преобла­дают неравновесные носители одного знака.

Так, если преобла­дает процесс поглощения за счет ионизации донорных примесей,то АпАр и, следовательно, , примесная фотопроводимость^Ф.прим(14-10)е An\in.Число генерируемых пар носителей заряда при облученииединицы площади пропорционально числу N фотонов в секунду,коэффициенту поглощения сс0 и квантовому выходу (3, опреде­ляющему число пар носителей, образуемых одним поглощеннымфотоном:Дга = Др = a|3./V.(14-11)При включении потока облучающего света интенсивность про­цесса генерации пар не сразу достигает стационарного значения,соответствующего интенсивности падающего излучения, а нарас­тает по экспоненциальному закону:Дл(/) = артЛГ ( 1 - е - 1/'),(14 -12 )где т — время жизни неравновесных частиц.

При tт концен­трация неравновесных носителей достигает стационарного зна­чения:ДпСТ = apxTV.(14-13)ч- При выключении облучающего потока света наблюдается умень­шение концентрации Ап по экспоненциальному закону *:_ j_A n ( t ) = A n creТ =а|3т Ne_ t_х.(14-14)В соответствии с законами нарастания и спада концентрациинеравновесных носителей изменяется и величина фотопроводи­мости. Эти явления постепенного изменения Оф при включении ивыключении облучающего потока света называются релаксациейфотопроводимости.1 Выражения (14-12) и (14-14) справедливы прп условии, что А пщ ++ р 0.

В противном случае нарастание концентрации А п происходит п о за ­кону гиперболического тангенса, а спад — по закон у гиперболы [22].На время релаксации могут оказать существенное влияниеповерхностная рекомбинация, наличие ловушек, а также диффу­зия неравновесных носителей в глубь кристалла полупровод­ника и т. д.Спектральная характеристика фотопроводимости, т. е. зави­симость величины фотопроводимости Оф от длины волны падающегосве?а, показана на рис. 14-1. Участок 1 соответствует собственномугРис. 14-1.

Спектраль­ная характеристикафотопрЛзо димости.5] — изолятор; 2 — полупроводник; 8 — ме­таллическиеконтакты;4 — корпус;5 — слюдяное или стеклянное окно.поглощению, длинноволновая граница, в микрометрах, которогоможет быть определена па основании простого соотношения1гс1,24ДЕ ,(14-15)где с — скорость света.Граничная длина волны Х„р, мкм, примесной фотопроводимости(участок 2 ) соответственно равна:Гпр '1,241,24ДЯдД^ак(14-1С)Здесь величины А.ЕЛ и А Е ак — энергии ионизации доноров илиакцепторов соответственно, как и величина АЕЭв (14-15), выраженыв электронвольтах.14-4.

ФОТОРЕЗИСТОРЫОпределение. Фоторезисторами называют двухполюсные полу­проводниковые приборы, электрическое сопротивление которыхизменяется под действием светового потока.Фоторезисторы используются для формирования электриче­ских сигналов под действием облучающих световых сигналов, ин­тенсивность которых может быть неизменной во времени (немодулированный сигнал) или же меняться по синусоидальному или лю­бому другому закону (модулированный сигнал).Кроме того, фоторезисторы используются также для обнаруже­ния и регистрации световых сигналов.

В этом режиме фоторезис-торы, как и другие фотоприемники (фотодиоды и фототранзисторы,§ 14-7 и 14-8), служат чувствительным элементом на входе прием­ников в системах оптической связи, обнаружения инфракрасногоизлучения, радиоастрономических системах и др.Устройство. На рис. 14-2 для примера показано устройствоодного из фоторезисторов. Светочувствительная пластина изготав­ливается -либо прессованием из порошка полупроводниковогоматериала, либо путем напыления этого материала на диэлектри­ческую подложку. В некоторых случаях пластину изготавливаютиз монокристалла полупроводника.

На поверхность полупровод­никовой пластины напыляют тонкопленочные металлические кон-Рис. 14-3. Вольт-амперные (а) и энергетпческиехарактеристикиф оторезпстора (б).'Рис. 14-4. Относительные епектральные характеристики ф о­торезисторов.1 — сернпстокадмиевыйф оторези ­стор ;2 — селенисто-кадмиевы й;з — сернистосвинцовый; 4 — сеявнистосвинцовый.такты, соединяемые затем с выводами.

Характеристики

Список файлов книги