Чем обусловлена фотопроводимость полупроводников

Фотопроводимость полупроводников

Фотопроводимостью называется явление, заключающееся в изменении проводимости полупроводника под воздействием электромагнитного излучения, не связанное с его нагреванием.

При освещении полупроводника в результате поглощения квантов света с энергией, превышающей энергию активации носителей, возникают дополнительные (неравновесные) носители заряда. Процесс их возбуждения называют оптической генерацией. Проводимость освещенного полупроводника s в результате оптической генерации носителей возрастает на величину:

По мере увеличения скорости рекомбинации скорость роста фотопроводимости уменьшается и спустя некоторое время устанавливается стационарная фотопроводимость, которой соответствуют стационарные концентрации неравновесных электронов Dn_ст и дырок Dр_ст, определяемые равенством скоростей генерации и рекомбинации носителей. при выключении света по той же причине фотопроводимость спадает до нуля также постепенно. Кривые нарастания и спада фотопроводимости называются кривыми релаксации фотопроводимости.

В примесном полупроводнике р-типа при выполнении условий р_о >> n_o и Dn

Фотодиоды на основе p-n перехода

При попадании кванта света, с энергией hV в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентрацией носителей. Очевидно, что при прочих равных условиях зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей проще.

В фотодиодах на основе p-n переходов как раз и реализован принцип регистрации изменения концентрации неосновных носителей под влиянием внешнего излучения. Обратный ток p-n перехода обусловлен дрейфовыми компонентами тока и выражается

(5.3.1)

Изменение концентрации неосновных носителей вызывает изменение фототока. Величина фототока выражается соотношением:

(5.3.2)

(5.3.3)

То величина фототока будет:

(5.3.4)

где G темп генерации неравновесных носителей.

(5.3.5)

Здесь h–квантовый выход, a – коэффициент поглощения и φ – падающий световой поток.

Рисунок 5.4 Вольтамперная характеристика фотодиода.

Неосновные носители, возникающие под действием светового потока, должны формироваться на расстоянии порядка диффузионной длины от обедненной областиp-n перехода для того, чтобы принять участие в обратном токе диода. Характерные параметры диффузионная длина L_p порядка 100мкн, а ширина обедненной областиp-n перехода 1мкн. Поэтому, основной фототок в фотодиоде обусловлен поглощением в квазинейтральном объеме, и время отклика фотодиода будет определяться временем жизни неосновных носителей.

Две характеристики pn-фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать диод только в килогерцовом диапазоне.

Источник

Фотопроводимость полупроводников. Экситоны

Увеличение электропроводности полупроводников может быть обусловлено не только тепловым возбуждением носителей тока, но и под действием электромагнитного излучения. В таком случае говорят о фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость полупроводников может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (hν ≥ ∆E), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 12, а), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная электронами и дырками.

Рис. 12. Собственная (а) и примесная (б, в) фотопроводимость

Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при hν

Из условия hν = hc/λ можно определить красную границу фотопроводимости — максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается:

для собственных полупроводников

для примесных полупроводников

Тепловое или электромагнитное возбуждение электронов и дырок может и не сопровождаться увеличением электропроводности. Одним из таких механизмов может быть механизм возникновения экситонов. Экситоны представляют собой квазичастицы ‒ электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.

Источник

Фотопроводимость полупроводников

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_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 (

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.

Люминесценция вещества

Люминесценцией называют собственное свечение вещества. Люминесценция – это неравновесное излучение в данной области спектра, превосходящее тепловое излучение этого же вещества при данной температуре. Длительность люминесценции всегда больше периода световых колебаний, что является её отличительной особенностью по сравнению с другими видами излучений (свечении веществ) теплового излучения, отражения, рассеяния света и т.д.

Возбужденное состояние атомов вещества может быть достигнуто различными видами внешних воздействий: световым, рентгеновским, потоком электронов, электрического поля, ядерным излучением (g-квантов, нейтронов, протонов), химическими превращениями, механическими воздействиями. Поэтому различают следующие виды люминесценции: фотолюминесценцию, рентгенолюминесценцию, катодолюминесценцию, электролюминесценцию, радиолюминесценцию, хемилюминесценцию, триболюминесценцию.

При флюоресценции свечение возникает как результат перехода атомов с уровня возбужденного состояния на энергетический уровень основного состояния. Процесс лучеиспускания протекает в энергетически изолированных атомах и молекулах, и для него характерно относительно быстрое затухание послесвечения, подчиняющегося экспоненциальному закону мономолекулярных процессов:

, (8.33)

где I_o – начальная интенсивность послесвечения;

a = 1/t – вероятность соответствующих энергетических переходов;

t – длительность возбужденного состояния молекул люминесцирующего вещества.

Фосфоресценция отличается от флюоресценции тем, что возбужденная молекула (атом) не сразу переходит в свое основное состояние, а некоторое время удерживается в метастабильном состоянии с энергией, несколько меньшей энергии возбужденного состояния.

Фосфоресценция в чистом виде представляет собой мономолекулярный процесс и, следовательно, затухание послесвечения также происходит по экспоненциальному закону, однако коэффициент затухания резко возрастает с повышением температуры.

Разновидностью люминесценции является рекомбинационное свечение люминофора. Оно возникает в том случае, когда в результате поглощения энергии активирующего процесса электроны молекул (атомов) или узлов кристаллической решетки оказываются переведенными в зону проводимости. Оно возникает при соединении электронов с возбужденными молекулами (атомами). Этот процесс является типично бимолекулярным, поэтому его интенсивность пропорциональна квадрату числа возбужденных центров nв единице объёма вещества, а послесвечение подчиняется закону:

, (8.34)

где I_o – начальная интенсивность послесвечения;

b – характеристический множитель, зависящий от температуры.

При достаточно больших значениях начальной интенсивности высвечивания I_o закон затухания рекомбинационного свечения может быть представлен в виде

. (8.35)

Такой закон послесвечения характерен для кристаллофоров, у которых поглощение энергии возбудителя происходит во всей решетке, а высвечивание – в локализованных центрах, т.е. место актов поглощения удалено от места актов высвечивания (наблюдается миграция, или блуждание энергии). При этом в процессе люминесценции участвуют не изолированные атомы или молекулы, а их множество и даже в отдельных случаях – вся решетка (Ленардовы фосфоры).

Все три вида люминесценции (флюоресценция, фосфоресценция и рекомбинационное свечение) могут протекать одновременно.

На процесс люминесценции могут также накладываться дополнительные явления, такие, как химические реакции в веществе люминофора (старение люминофора), гашение примесями или инфракрасным излучением и воздействие переменными электрическими полями (для усиления высвечивания).

Первое количественное исследование люминесценции было проведено в 1852 г. Дж. Стоксом, который сформулировал закон: длина волны люминесцентного излучения всегда больше длины волны света, возбудившего его.

С квантовой точки зрения, закон Стокса можно записать так:

, (8.36)

где n – частота падающего света;

n_л – частота электромагнитного излучения люминофора;

DW – энергия, израсходованная на какие-то неоптические явления.

Вавилов С.И. в 1924 г. ввел в рассмотрение основную энергетическую характеристику люминесценции – энергетический выход.

Энергетический выход – это отношение энергии, излученной люминофором при полном высвечивании, к энергии, поглощенной им.

Вначале энергетический выход растет пропорционально длине волны, а затем, достигая максимума, спадает до нуля при дальнейшем увеличении длины волны (закон Вавилова).

Величина энергетического выхода для различных люминофоров колеблется в широких пределах. Максимальное его значение может достигать 80 %.

Механизм возникновения люминесценции, с точки зрения зонной теории, можно проследить на примере люминесцирующих кристаллофоров, искусственно приготовленных кристаллов с посторонними примесями. В кристаллофорах между валентной зоной и зоной проводимости располагаются примесные уровни активатора. При поглощении атомом активатора падающего фотона с энергией hn электрон с примесного уровня переходит в зону проводимости, свободно перемещается по кристаллу до тех пор, пока не рекомбинирует с ионом активатора, перейдя вновь на примесный энергетический уровень. Процесс рекомбинации сопровождается излучением кванта люминесцентного излучения. Время высвечивания люминофора определяется временем жизни возбужденного состояния атома – активатора, которое обычно мало. Поэтому свечение является кратковременным и исчезает почти вслед за прекращением облучения.

Для увеличения длительности свечения кристаллофор должен содержать центры захвата или ловушки для электронов, представляющие собой локальные незаполненные энергетические уровни, расположенные вблизи зоны проводимости. Центры захвата могут быть образованы различными факторами (и в частности, атомами примеси активатора). Под действием света атомы активатора возбуждаются, электроны с примесного уровня переходят в зону проводимости, становятся свободными. Захватываясь ловушками (центрами захвата), они теряют свою подвижность, а, следовательно, и способность рекомбинировать с ионом активатора. Освобождение электрона из ловушки требует дополнительной энергии, которую они могут получить, например, за счет тепловых колебаний решетки. Получив дополнительную энергию, электрон может попасть в зону проводимости, будет двигаться по кристаллу до тех пор, пока не будет вновь захвачен ловушкой или не рекомбинирует с ионом активатора. Процесс рекомбинации сопровождается излучением кванта люминесцентного излучения. Длительность возможного процесса зависит от времени пребывания электрона в ловушке.

Явление люминесценции широко используется в различных областях науки и техники. Фотолюминесценция используется в оптических квантовых генераторах (лазерах) и при анализе состава неорганических и органических веществ. Что касается люминесцентного анализа, то относительно немногочисленные люминесценции жидких и твердых тел настолько характерны, что при анализе на чистоту вещества их можно с уверенностью отнести только к определенному веществу. Флуоресцентный анализ обладает рядом преимуществ: возможностью анализа относительно нестойких соединений, которые разрушаются при электрическом разряде или при нагревании; возможностью применения незначительных количеств анализируемого вещества, чем при других видах анализа (например, абсорбционном). Надо отметить, что при количественном флуоресцентном анализе интенсивность свечения не всегда прямопропорциональна концентрации активного вещества. Поэтому, как правило, вначале строят температурные градуировочные кривые, а затем по ним и по интенсивности свечения определяют концентрацию активного вещества.

Широкое применение имеет технический фотолюминесцентный анализ самых разнообразных материалов в микробиологии для обнаружения изменений вещества (окисление, старение), различных изъянов, пятен и фальсификации в документах и денежных знаках, распознавания различных маркировок, для обнаружения и исследования различных гидросвязей (в реках, озерах, кровотоках и в растениях).

Большое применение фотолюминесценция нашла в устройстве различных экранов, на которые наносятся различные флюоресцирующие под действием различных факторов (рентгеновского излучения, гамма – излучения, потоков электронов) составы.

Для электролюминесценции основной зависимостью является соотношение между интенсивностью свечения экрана и плотностью потока электронов заданной энергии, которые соответственно зависят от плотности электрического тока и ускоряющей разности потенциалов:

, (8.37)

где U – ускоряющее напряжение;

U_o – пороговое значение ускоряющего напряжения для данного люминофора (равное 10¸100 В);

а – коэффициент, зависящий от выбора единиц измерения;

n – показатель, зависящий от энергии электронов (n = 1 ¸ 3).

Энергетический выход электролюминесценции экранов не превышает 10 %.

В зависимости от назначения кристаллофосфоры представляют собой сульфиды цинка (ZnS, ZnSAg, ZnSCu) и кадмия (ZnCdSAg), применяемые для люминесцентных красок, рентгеновских, осциллографических и телевизионных экранов визуального наблюдения (4600¸5200 ); вольфраматы кальция (шеслит CaWO₄) и кадмия (CdWO₄) – для усиливающих экранов (4200¸4800 ); силикаты цинка (ZnSiO₄Mn) и кадмия (CdSiO₄Mn), активизированные марганцем, – для люминесцентных ламп (5300¸6000 ); рубины (Al₂O₃Cr), обладающие большим запасом световой суммы,– для сцинтиллирующих кристаллофосфоров; урановые стекла – для индикаторов ультрафиолетового излучения и оболочек газоразрядных трубок. Кроме того, применяются органические фосфоры (сцинтилляторы), борные фосфоры (обеспечивающие длительное послесвечение), молекулярные двойные соли MePt(CN)₄74H₂O, например платиносинеродистый барий, и минералы.

Источник

Фотопроводимость полупроводников

Направим на п/п пучок света интенсивностью J₀ (рис. 4.20, а).

Проникая внутрь полупроводника, свет постепенно поглощается, и его интенсивность уменьшается. Выделим на глубине х от поверхности полупроводника бесконечно тонкий слой dx. Количество световой энергии dJ, поглощенное слоем dx, пропорционально интенсивности света J, падающего на слой, и его толщине:

(4.30)

Знак минус указывает на убыль энергии; коэффициент пропорциональности k называется коэффициентом поглощения. При dx=1 k =-dj/j.

Интегрируя (4.30), получим

(4.31)

Для возбуждения примесных атомов фотон должен обладать энергией hυ≥Е_П,где Е_П — энергия активации этих атомов. На рис. 4.20,б примесными уровнями являются Е₁ и Е₂. Возбуждение электронов с этих уровней показано стрелками 2 и 3.

Таким образом, если

то в полупроводнике образуются добавочные носители тока и его проводимость повышается.

Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретенная полупроводником при облучении светом, называется фотопроводимостью. Основная же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей заряда, называется темновой проводимостью, так как она отвечает проводимости затемненного полупроводника.

В соответствии с тем, что под действием света избыточные носители могут возникать как вследствие возбуждения собственных, так и примесных носителей заряда, различают собственную и примесную фотопроводимости. Из (4.32) можно определить красную границу этой проводимости, т. е. максимальную длину волны, при которой свет является еще фотоэлектрически активным:

— для собственных полупроводников,

— для примесных полупроводнииов.

Для чистых полупроводников энергия активации E_g лежит в пределах 1-З эВ. Для них красная граница фотопроводимости приходится на видимую часть спектра. Многие примесные полупроводники имеют E_g порядка десятых и даже сотых долей электрон-вольтов. Красная граница фотопроводимости для них лежит в инфракрасной области спектра.

Примесный фотоэффект возможен, очевидно, лишь в том случае, если примесные уровни Е₁ и Е₂ заполнены электронами, т. е. если полупроводник находится при температуре ниже температуры истощения примеси Т_S. Поэтому для наблюдения примесной фотопроводимости полупроводники необходимо, как правило, охлаждать, причем, до тем более низких температур, чем больше их граничная длина волны. Так, германий, легированный золотом, имеет λ_П = 9 мкм и требует охлаждения жидким азотом (Т = 78 К); германий же, легированный примесями III или V групп таблицы Менделеева, имеет λ_П= 100 мкм и требует охлаждения жидким гелием (Т =4,2 К).

Если интенсивность света, падающего на полупроводник, равна J, то количество световой энергии (число фотонов), поглощаемой в единицу времени в единице объема полупроводника, будет равно kJ, а число избыточных свободных носителей, возникающих в единице объема полупроводника в единицу времени, т.е. скорость их генерации g, будет равно

(4.33)

где β — квантовый выход, показывающий, сколько свободных носителей заряда возникает при поглощении одного фотона.

При отсутствии рекомбинации число избыточных носителей непре­рывно возрастало бы стечением времени. Но из-за рекомбинации, скорость которой растет с увеличением концентрации избыточных носителей, в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорость генерации равна скорости их рекомбинации:

(4.34)

Этому состоянию отвечает постоянная (стационарная) концентрация избыточных носителей Δn₀, равная

Так как избыточные носители имеют практически такую же подвижность, какой обладают равновесные носители, то стационарная (установившаяся) фотопроводимость полупроводника будет равна

(4.36)

Из (4.36) видно, что стационарная фотопроводимость полупровод­ника, а следовательно, и фоточувствительность полупроводниковых приемников излучения пропорциональны времени жизни τ_п избыточных носителей заряда. С этой точки зрения выгодно стремиться к получению максимально высоких значений τ_п. Однако при этом может существенно увеличиваться инерционность фотоприемников.

Действительно, рассмотрим, например, характер спада фотопроводимости полупроводника после выключения источника света (рис. 4.21). Вследствие протекания процесса рекомбинации концентрация избыточных носителей убывает по закону

По такому же закону будет происходить и спад фотопроводимости полупроводника (кривая ВС):

(4.37)

Из (4.37) видно, что чем больше время жизни τ_п избыточных носителей, тем медленнее происходит спад фотопроводимости, следова­тельно, тем более инерционным будет фотоприемник излучения.

Легко показать, что касательная, проведенная к кривой спада фотопроводимости σ_ф(t) в точке t_o,отсекает на оси времени отрезок, численно равный τ_п — времени жизни избыточных носителей. Этим методом часто пользуются для экспериментального определения τ_n.

На рис. 4.21 показан также и характер нарастания фотопроводимости полупроводника после включения светового импульса (кривая ОВ). Рост фотопроводимости происходит плавно и достигает стационарного значения лишь по истечении некоторого промежутка времени. И в этом случае касательная, проведенная к кривой σ_ф(t) в начале координат, отсекает на прямой АВ отрезок, численно равный τ_п.

Экситоны. При возбуждении фотопроводимости электроны из валентной зоны перебрасываются в зону проводимости и становятся свободными.

Однако возможно и иное течение процесса, когда возбужденный электрон не разрывает связи с дыркой, возникающей в валентной зоне, а образует с ней единую связанную систему. Такая система была названа Я. И. Френкелем экситоном.

Экситон сходен с возбужденным атомом водорода: в обоих случаях около единичного положительного заряда движется электрон и энергетический спектр является дискретным (рис. 4.22).

Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны являются электрически нейтральными системами, то возникновение их в полупроводнике неприводит к появлению дополнительных носителей заряда, вследствие чего поглощение света не сопровождается увеличением проводимости полупроводника.

В настоящее время предполагается, что экситоны возникают и при фотоэлектрически активном поглощении света. Возникнув, они некоторое время блуждают по объему полупроводника. При столкновении с фононами, примесными центрами и другими несовершенствами решетки экситоны или рекомбинируют, или «разрываются». В первом случае возбужденные атомы переходят в нормальное состояние, а энергия возбуждения передается узлам решетки или излучается в виде квантов света (люминесценция). Во втором случае образуется пара носителей — электрон и дырка. Они обусловливают фотопроводимость полупроводника.

Источник