ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Электроника
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Генератор сигналов специальной формы
Изучение статических характеристик
полевых транзисторов
Основные параметры полевого транзистора
Изучение оптоэлектронных приборов
оптопара (оптрон)
Вольтамперная характеристика
Классификация изделий микроэлектроники.
Эпитаксия
Нанесение тонких пленок.
Полевой транзистор с изолированным затвором
ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Фоторезисторы

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ
Переходные процессы в линейных цепях первого порядка
Переходные процессы в RLC цепях.
Спектральное представление периодических процессов
Исследование характеристик линейных четырехполюсников
Аппаратно-программный комплекс PClab – 2000
Методика выполнения лабораторного практикума
в лаборатории электротехники
Исследование неразветвленной и разветвленной
электрических цепей постоянного тока
Исследование нелинейных цепей постоянного тока
Переходные процессы в электрических цепях

ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

 ФОТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ

Поглощение света в полупроводниках

Внутренний фотоэффект – это процесс ионизации атомов полупроводника под действием света, приводящий к образованию добавочных, неравновесных носителей заряда. Добавочную проводимость, обусловленную внутренним фотоэффектом, называют фотопроводимостью.


На рис. 1 изображены уровни энергии дна зоны проводимости Wc и верха валентной зоны Wv в собственном полупроводнике. Ширина запрещенной зоны ΔW = Wc − Wv. Если энергия кванта света hν ≥ ∆W, где h = 6.626∙10–34 Дж∙с – постоянная Планка, ν – частота, то возможно собственное поглощение, при котором электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости. В результате собственного поглощения происходит образование пары свободных носителей заряда – электрона и дырки.

Существуют правила отбора при фотоэлектрических переходах из одной энергетической зоны в другую. По закону сохранения импульса, свободный электрон и дырка должны иметь в момент образования равные импульсы. Импульсом поглощаемого фотона p = h/λ ввиду его малости можно пренебречь.

Энергия и импульс свободного электрона измеряются вверх от нижнего уровня дна зоны проводимости Wc. Энергия и импульс дырки измеряются вниз от верхнего уровня валентной зоны Wv. Таким образом, при образовании пары электрон-дырка, свободный электрон и дырка должны занимать уровни, симметричные относительно соответствующих границ зон (рис. 1).

Энергия кванта, необходимая для перехода с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости hνпорог = ΔW, определяет пороговую длину волны (красную границу) фотоэффекта λпорог = c/νпорог = hc/ΔW. При поглощении фотонов с λ < λпорог происходит переход электронов с более низких уровней валентной зоны на более высокие уровни зоны проводимости.

При длинах волн, больших граничной, энергия фотонов недостаточна для образования электроно-дырочных пар. Однако оптическое поглощение все же происходит, поскольку фотоны могут поглощаться имеющимися в полупроводнике собственными носителями заряда – электронами и дырками. В полупроводниках с большой концентрацией примесей и при очень низких температурах (при которых примеси термически не ионизированы) наблюдается поглощение при больших длинах волн, соответствующих энергиям ионизации донорных и акцепторных примесей.

Фотопроводимость полупроводников

Пусть на поверхность полупроводника падает монохроматический поток света Фλ (Дж/с) с длиной волны λ ≤ hc/ΔW, где с = 2.998∙108 м/с – скорость света в вакууме. Число квантов света, входящих в полупроводник в единицу времени (без учета отражения света от поверхности) N = Фλ/hν.

Чисто пар свободных носителей заряда (электронов и дырок), возникающих в полупроводнике под действием света в единицу времени

, (1.1)

где k – коэффициент поглощения света в полупроводнике. Коэффициент β называют квантовым выходом. Он определяет число пар носителей заряда, образуемых одним поглощенным фотоном. Обычно β ≤ 1.

Одновременно с генерацией неравновесных носителей заряда идет процесс их рекомбинации. В собственном полупроводнике с очень малой концентрацией равновесных носителей заряда n0 и p0 скорость рекомбинации пропорциональна квадрату концентрации неравновесных носителей (квадратичная релаксация):

. (1.2)

Изменение концентрации неравновесных носителей в единицу времени равно разности между скоростями генерации и рекомбинации:

. (1.3)

Установившееся значение концентрации электронов и дырок  пропорционально корню квадратному из интенсивности света

. (1.4)

Генерация неравновесных носителей заряда под действием света приводит к увеличению электропроводности полупроводника

σС = σТ+σФ,

где: σТ = q(n0μn+p0μp) – темновая проводимость, σФ = q(nФμn+pФμp) – фотопроводимость проводника, q = 1.6∙10–19 Кл – элементарный заряд, μn и μp (м2/В∙с) – подвижности электронов и дырок соответственно (т.е. средние скорости их перемещения вдоль направления электрического поля при напряженности Е = 1 В/м).

В общем случае можно считать, что фотопроводимость

, (1.5)

где G – постоянный коэффициент, зависящий от материала и размеров полупроводника.


1.3. Спектральная зависимость фотопроводимости


Спектральная зависимость фотопроводимости определяется спектром поглощения полупроводника. Область собственного поглощения имеет длинноволновую (красную) границу, соответствующую длине волны света λпорог = hc/ΔW (рис. 2 и 3).

С ростом энергии фотонов λ < λпорог фотопроводимость резко увеличивается, достигает максимума, а затем уменьшается (синяя граница фотопроводимости). В районе синей границы весь световой поток поглощается в приповерхностном слое полупроводника, при этом за счет поверхностной рекомбинации время жизни τ носителей заряда резко уменьшается.

Так как запрещенная зона различных полупроводниковых веществ имеет ширину от десятых долей электрон-вольта до двух трех электрон-вольт, фотопроводимость может обнаруживаться в инфракрасной, видимой (λ = 0.40÷0.76 мкм) или ультрафиолетовой частях спектра электромагнитных волн.

По длинноволновому краю фотопроводимости может быть определена ширина запрещенной зоны полупроводника. Из рис. 2 видно, что пороговая длина волны для германия λпорог = 1.8 мкм и лежит в инфракрасной области спектра. Отсюда широна запрещенной зоны для германия ΔW = hc/λпорог = 0.72 эВ. Ширина запрещенной зоны кремния ΔW = 1.12 эВ и пороговая длина волны λпорог =1.15 мкм также лежит в инфракрасной области спектра.

Области примесного поглощения находятся в длинноволновой (дальней инфракрасной) области спектра. Примесная фотопроводимость обычно значительно меньше собственной, т.к. концентрация атомов примеси на много порядков меньше концентрации атомов основной решетки.