Краткая теория. Источником энергии, способствующим образованию свободных носителей заряда в полупроводниках, кроме теплового действия

Источником энергии, способствующим образованию свободных носителей заряда в полупроводниках, кроме теплового действия, могут быть и другие процессы: столкновение с быстрыми электронами, a -частицами, ионизация под действием света (фоторезистивный эффект) или других излучений (рентгеновских, g -лучей), ионизация под действием сильного поля и др. Так как свободные носители в этом случае возникают за счет непосредственного поглощения энергии, то тепловая энергия решетки практически остается неизменной. При этом нарушается тепловое равновесие между решеткой и свободными носителями заряда. Электроны или дырки проводимости (свободные носители заряда), не находящиеся в термодинамическом равновесии (как по концентрации, так и по энергетическому распределению), называются неравновесными носителями заряда.

Так как число неравновесных носителей заряда обычно невелико и мала запасенная ими избыточная энергия по сравнению с энергией решетки, то наложение и снятие внешнего возбуждения не влияет на концентрацию равновесных носителей заряда и полная концентрация носителей заряда n или р равна простой сумме концентраций равновесных (n₀, р₀) и неравновесных (dn, dp) носителей заряда:

n=n₀ +dn,	(2.1)

p=p₀ + dp.	(2.2)

Возникновение неравновесных носителей заряда приводит к изменению удельной проводимости (сопротивления) полупроводника:

s=s₀+ds = e(n₀ m_n+p₀ m_p) + e(dn m_n+dp m_p),

(2.3)

где е - заряд электрона; s₀, ds - удельные значения темновой и неравновесной проводимости соответственно; m_n и m_p – подвижности электронов и дырок, соответственно.

Изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием электромагнитного излучения и не связанное с его нагреванием, называется фотопроводимостью (фоторезистивным эффектом) или внутренним фотоэлектрическим эффектом.

В однородном образце при равномерной генерации избыточных носителей заряда по всему объему удельная фотопроводимость ds определяется как разность между величинами удельных проводимостей при освещении и в темноте:

ds=s–s₀=e(m_ndn+m_pdp)

(2.4)

Для хорошо проводящих полупроводников величины dn и dр обычно значительно меньше концентраций носителей заряда в темноте n₀ и p₀ или, по крайней мере, одной из этих величин. Поэтому результат воздействия света можно рассматривать как малое изменение больших величин равновесных концентраций носителей заряда. В изоляторах и полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны, наоборот, dn и dp велики по сравнению с n₀, p₀. Именно в этом и заключается основное различие при рассмотрении явления фотопроводимости в полупроводниках и диэлектриках.

Энергия неравновесных носителей заряда в результате взаимодействия с фононами и дефектами решетки снижается до энергии равновесных носителей за время 10^-10–10^-12 с и приобретает такое распределение по энергиям и квазиимпульсам, как у равновесных носителей заряда. Поэтому можно считать, что генерация неравновесных носителей заряда в полупроводниках приводит лишь к изменению концентрации свободных носителей, не изменяя их подвижности. Однако при поглощении света свободными носителями заряда может быть и изменение их подвижности в результате следующих причин:

- переброса дырок из одной зоны в другую;
- переброса электронов из одной зоны в другую;
- разогрева электронов вследствие рекомбинационного излучения.

В основе явления фотопроводимости лежит поглощение света веществом. При поглощении квантов света в веществе могут происходить три типа электронных переходов (рис. 1), которые обусловливают возникновение фотопроводимости:

Рис. 1. Схема электронных переходов в полупроводнике при поглощении света.

- переход типа 1 (рис. 1) соответствует собственному поглощению вещества, что приводит к образованию свободного электрона и свободной дырки на каждый поглощенный фотон. Генерацию пар свободных носителей заряда при внешнем воздействии на полупроводник называют биполярным возбуждением.

- в результате поглощения фотонов локальными несовершенствами кристаллической решетки происходят переходы типа 2 и 3, которые ведут к образованию свободного электрона и дырки и связанных с соответствующим центром дырки и электрона. В отличие от первого типа переходов здесь происходит генерация носителей заряда одного знака, т. е. имеет место монополярное возбуждение. Монополярное возбуждение характерно для примесного механизма поглощения. В этом случае возрастает концентрация носителей заряда только одного типа (примесная фотопроводимость).

При этом возможны два случая: неравновесные носители заряда являются основными или неосновными.

Если неравновесные носители заряда являются неосновными, а их концентрация превосходит темновую концентрацию основных носителей заряда, то меняется тип проводимости полупроводника при его освещении.

Для возбуждения собственных атомов полупроводника (переход 1 на рис. 1) фотон должен обладать энергией hv₁ > dE, а для возбуждения примесных атомов (переходы 2 и 3 на рис. 1) – hv₂> dE_d, hv₃> dE_а (dE, dE_d, dE_а - соответственно энергия активации собственных, донорных, акцепторных атомов; v₁, v₂, v₃ — соответствующие частоты поглощаемого света).

Максимальная длина волны (красная граница фотопроводимости), при которой свет является еще фотоэлектрически активным, то есть создает свободные носители заряда, определяется соотношениями:

для собственной фотопроводимости

(2.5)

для примесной фотопроводимости

(2.6)

Следовательно, по длинноволновой границе фоточувствительности полупроводника () можно определить ширину запрещенной зоны (энергию активации примесных атомов). Для пересчета длины света L в энергию соответствующего кванта hv используют простую формулу, связывающую эти величины:

hv (эВ) = 1,24 /L(мкм)

(2.7)

Рис.2. Прямые 1 и непрямые 2 оптические межзонные переходы.

Рис.3. Схема спектра поглощения полупроводника (a) и спектральное распределение фоточувствительности (б).

Рис. 4. Схема измерения стационарной фотопроводимости

Одна из поверхностей полупроводникового образца, имеющего форму прямоугольной пластины, освещается светом от источника ИС. Световой поток проходит через оптическую систему ОС, монохроматор М_Х. Фототок создаёт напряжение на резисторе R, включенном последовательно с образцом. Это напряжение измеряется электронным вольтметром V.

Измерения выполняются в режиме низких освещенностей. Следовательно, dG << G и поэтому справедливо выражение (3.7).

Освещение полупроводникового образца осуществляется светом лампы накаливания, прошедшим через монохроматор.

Лампа накаливания имеет непрерывный спектр излучения в диапазоне 0,3 – 2,5 мкм, в пределах которого лежит край собственного поглощения многих полупроводниковых материалов, в том числе кремния, германия и соединений типа A^IIIB^V и A^IIB^VI. Разложение в спектр проводится с помощью монохроматора УМ-2, схема которого приведена на рис.5. После входной щели d₁ свет объективом О₁направляется на призму Р, которая разлагает его в спектр. Угол поворота призмы отмечается числом делений на барабане Б в относительных единицах. Поворотом призмы Р определенный участок спектра направляется в объектив О₂и к выходной щели d₂ монохроматора. Градуировочные данные для пересчета показаний барабана в длины волн приведены в таблице 2 (график прилагается). Ширины входной и выходной щелей монохроматора устанавливаются независимо друг от друга. Разрешающая способность прибора d в зависимости от ширины щели (при равных значениях ширины входной и выходной щелей) приведена в таблице 3.

Ячейка с исследуемым образцом расположена в специальном держателе, монтируемом за выходной щелью.

Сигнал фотопроводимости, снимаемый с сопротивления нагрузки, подается на цифровой вольтметр.

Осветитель представляет собой кожух с установленной в нем лампой (12 В, 21 Вт), питаемой для уменьшения пульсаций постоянным током. На кожухе имеются винты для юстировочных перемещений лампы по вертикали и по горизонтали.

Таблица 1: Спектр фотопроводимости образца

Деления барабана	L, А	L, мкм	hv, эВ	d1, эВ/мм
	0,01		0,88	0,09
	0,01		0,82	0,084
	0,01		0,763
	0,01		0,72	0,074
	0,07		0,689
	0,34		0,662
	0,75		0,637
	1,22		0,613	0,063
	1,48		0,592
	1,44		0,573
	1,22		0,557	0,056
	0,97		0,541
	0,72		0,526
	0,52		0,51
	0,38		0,498
	0,28		0,487
	0,2		0,477
	0,08		0,468
	0,02		0,46