ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Учебник по математике
Контрольные
Карта сайта

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.

На главную страницу сайта