2.4 Фотоэдс в однородных полупроводниках (фотоэдс Дембера)

Согласно выполненного в предыдущем параграфе анализа, фотоэдс в однородных полупроводниках может возникнуть, если градиенты неравновесных концентраций электронов и дырок будут различны. Для выяснения свойств фотоэдс в однородных полупроводниках рассмотрим полупроводник прямоугольной формы, одна из граней которого освещается светом из собственной полосы поглощения (рис. 7). Предполагаем, что интенсивность падающего излучения невелика, так что электропроводность образца при освещении мало отличается от темновой электропроводности .

Рисунок 7. К определению фотоЭДС в однородных полупроводниках.

Ввиду большого значения коэффициента поглощения света, он полностью поглотится в тонком приповерхностном слое полупроводника. Поскольку разница между концентрациями неравновесных электронов и дырок у освещаемой поверхности и в объеме полупроводника велика, то возникает их диффузия вглубь полупроводника. Обычно коэффициенты диффузии, характеризующие скорости «разбегания» избытка частиц, для электронов и дырок различны: электроны движутся в междоузлии, а дырки перемещаются по вакансиям в атомах. В результате этого различия через некоторое время после начала диффузии электроны уйдут вглубь дальше, чем дырки. Это приведет к разделению зарядов в пространстве, а значит, и к возникновению внутреннего электрического поля Е*. Оно направлено таким образом, чтобы воспрепятствовать диффузии, остановить ее. Стационарное значение возникающего внутреннего поля достигается тогда, когда создаваемый им дрейфовый ток электронов и дырок уравновешивает суммарный диффузионный ток, вызванный неравномерным распределением фотоносителей по глубине полупроводника. На рис. 7 показаны знаки заряда поверхностей образца для случая и данной ориентация поля Е*. Электроны, диффундирующие быстрее дырок, заряжают нижнюю грань отрицательно, а на освещенной грани появляется положительный заряд.

Фотоэдс, возникающая вследствие различия коэффициентов диффузии носителей заряда, называется фотоэдс Дембера. Ее величина не зависит от геометрических размеров полупроводникового образца (если d > L_n, L_p) и определяется только различием в коэффициентах диффузии электронов и дырок, темновым сопротивлением полупроводника и уровнем его освещения. Ее величина обычно невелика: при комнатной освещенности образцов германия с темновой проводимостью Ом^-1см^-1 экспериментально измеряемая фотоэдс Вольт. Исходя из физических причин возникновения фотоэдс Дембера, ее можно использовать для регистрации оптического излучения из полосы собственного поглощения полупроводника, определения разности коэффициентов диффузии электронов и дырок и т.д.

2.5 Фотоэдс в неоднородных полупроводниках (объемная фотоэдс)

Объемная, или распределенная, фотоэдс возникает в неоднородных полупроводниках, в которых градиент удельного сопротивления отличен от нуля. Этот тип фотоэдс рассмотрим на примере тонкой пластинки, на поверхность которой падает свет в виде узкой полоски. Полоска света удалена от торцов образца, по крайней мере, на несколько диффузионных длин, так что фотоэлектроны и фотодырки рекомбинируют, не достигая торцов. Экспериментально доказано, что в такой ситуации между концами образца появляется напряжение, которое тем больше, чем больше градиент удельного сопротивления в месте положения световой щели (рис. 8).

Рисунок 8.

Рассматриваемая ситуация изображена на рис.9.

Рисунок 9. К влиянию локального градиента сопродивления на величину фотоЭДС .

Предположим, что сопротивление образца изменяется с координатой вследствие изменения концентрации темновых носителей, например, из-за неравномерного легирования полупроводника. Это означает, что энергетические зоны будут наклонены относительно постоянного уровня Ферми, т.е. в образце будет существовать внутреннее электрическое поле. При отсутствии освещения это поле не вызывает появления тока, т. к. обусловленный им дрейф в точности компенсируется током диффузии. Однако при освещении полупроводника это равновесие нарушается и возникают потоки фотоэлектронов и фотодырок, направленные в разные стороны. Если на рисунке градиент сопротивления направлен слева направо, то под действием внутреннего электрического поля (оно существует из-за неравномерности легирования полупроводника в месте освещения) электроны будут двигаться к левому концу образца и заряжать его отрицательно, а дырки - к правому концу, создавая на нем положительный заряд (рис. 10).

Рисунок 10.

Значение тока на границе освещенного слоя можно найти из условия баланса для фотодырок. Если N - полное число электронно-дырочных пар, сгенерированных светом во всем слое 2а в одну секунду, то

,

где S - площадь сечения образца. Поэтому окончательно имеем следующее выражение для объемной фотоэдс:

.

Напомним, что здесь - градиент темнового сопротивления образца в месте освещения.

Для дырочного полупроводника мы получили бы такую же формулу, но с заменой диффузионной длины дырок на диффузионную длину для электронов.

По порядку величины для Ом и см составляет единицы милливольт.

Данную фотоэдс можно использовать для исследования неоднородностей удельного сопротивления полупроводниковых пластин. Этот способ значительно проще, чем способ, основанный на пропускании тока по полупроводнику и исследовании металлическим зондом картины распределения по поверхности электростатического потенциала. Он позволяет судить о степени неоднородности не внося изменений в полупроводниковый образец, поскольку оптический метод по своей сути является бесконтактным.