Глава 6 оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

Оптоэлектроникой называют раздел микроэлектроники, основанный на применении, двойных — электрических и оптических — средств обработки сигнала [37]. Научную основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в световые и световых сигналов в электрические, а также процессы формирования, передачи, переработки и хранения информации, переносимой светом. К этим процессам и явлениям в первую очередь относятся поглощение света и фотопроводимость в полупроводниках, фотоэффект в р-n-переходе, электролюминесценция, процессы стимулированного излучения в полупроводниках.

Для преобразования световых сигналов в электрические в оптоэлектронике применяются p-n-переходы в вентильном или фотодиодном режиме, фототранзисторы и фоторезисторы в виде тонких пленок из соединений тира A^llB^VI и A^lllB^V, а также пленочные устройства на основе эффекта аномально больших фотонапряжений.

Для преобразования электрических сигналов в световые используются различные виды электролюминесценции, а также явление стимулированного когерентного излучения. В основе электролюминесцентных устройств лежат процессы спонтанных излучательных переходов, возникающие в кристаллах в результате инжекции неравновесных носителей заряда через внешний контакт или р-n-переход, ударной ионизации или ионизации сильным электрическим полем. Стимулированное когерентное излучение возникает также в результате инжекции носителей заряда через р-n-переход, но в таких условиях, когда создается очень высокое (инверсное) заселение верхних энергетических уровней. При этом преобладает стимулированная составляющая излучения над спонтанной электролюминесценцией. Преобразователи электрических сигналов в световые могут изготавливаться как в тонкопленочном, так и монолитном исполнении. Большинство явлений, составляющих научную основу оптоэлектроники, известно уже сравнительно давно и многие из них нашли широкое практическое применение в электронике. Однако термин «оптоэлектроника» не охватывает все сферы применения фотоэлектрических и оптических явлений, а употребляется в более узком смысле применительно к микроэлектронным устройствам, созданным на основе твердого тела или тонких пленок, способность которых к переработке сигналов осуществляется с помощью электронных и фотонных процессов.

В таких устройствах связь, обусловливающая активное функционирование, реализуется как по электрическим, так и по оптическим каналам.

Фотопроводимость и поглощение света в полупроводниках

Явление фотопроводимости заключается в изменении сопротивления вещества под действием инфракрасного, видимого или ультрафиолетового излучения. В большинстве случаев при воздействии излучения на твердое тело наблюдается уменьшение сопротивления (нормальный фотоэффект). Однако иногда наблюдается обратное явление, когда сопротивление повышается (аномальный фотоэффект). Это явление возникает редко и нами рассматриваться не будет. Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что уменьшение сопротивления обусловлено повышением концентрации подвижных носителей.

Увеличение концентрации подвижных носителей заряда под действием света в полупроводниках может быть осуществлено различным образом. Как видно из рис. 11.1, генерация носителей под действием света может быть осуществлена с помощью одного из следующих механизмов [38]:

1. кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны и переводят их из валентной зоны в зону проводимости, в результате чего в равной степени возрастает концентрация дырок и электронов;

2. электроны из валентной зоны переводятся на примесные уровни, что приводит к увеличению лишь дырочной, проводимости;

3. электроны забрасываются с примесных уровней в зону проводимости, что сопровождается увеличением электронной проводимости.

Увеличение концентрации свободных носителей за счет поглощения света приводит к увеличению электропроводности. Рассмотрим появление фотопроводимости на примере возбуждения электронов с примесных уровней в зону проводимости.

Пусть под действием света в единице объема полупроводника за единицу, времени генерируется g электронов. Тогда с момента начала освещения концентрация электронов начнет возрастать. Однако процесс роста не может продолжаться бесконечно, поскольку по мере увеличения концентрации свободных носителей будет расти вероятность рекомбинации. Через некоторое достаточно большое время установится равновесие, при котором концентрация генерируемых носителей будет равна концентрации рекомбинируемых носителей за данный промежуток времени. Для рассматриваемого случая можно записать уравнение непрерывности

где Δn — концентрация генерируемых светом электронов, равная n—n₀ — равновесная концентрация носителей; τ_n -— время жизни электронов. Решением этого уравнения будет

где Δn_ст — стационарное значение концентрации генерируемых электронов, равное

После прекращения освещения (g=0) уравнение (11.1) примет вид

Решение этого уравнения

описывает процесс рекомбинации носителей и возвращение полупроводника в равновесное состояние.

Фотопроводимость полупроводника, равная

повторяет характер изменения концентрации электронов. На рис. 11.2 показана кривая изменения фотопроводимости при освещении полупроводника прямоугольными импульсами света интенсивностью I₀. Стационарное значение фотопроводимости, очевидно, выражается формулой

Из полученной формулы видно, что чем больше время жизни, тем, больше фотопроводимость полупроводника.

Рассмотренные механизмы поглощения света, приводящие к появлению свободных носителей заряда, называются фотоактивными. Однако существует целый ряд возможных механизмов поглощения квантов света, не приводящих к появлению свободных носителей заряда. К их числу относится так называемое экситонное поглощениe, а также поглощение свободными носителями заряда и оптическими колебаниями решетки.

Рассмотрим качественно эти механизмы поглощения [2]. Экситонное поглощение энергии кванта представляет собой такой вид возбуждения связанного электрона, при котором этот электрон не отрывается от своего атома, а лишь переходит на один из незаполненных уровней, оставаясь в непосредственной близости от этого атома. Следовательно, экситонное возбуждение не создает свободных носителей заряда и не изменяет электропроводности кристалла. Экситонное возбуждение может перемещаться по кристаллу, т. е. если в возбужденном состоянии в некоторый момент находится данный атом, то со временем это возбуждение может быть, передано другому атому. Качественно механизм этого движения можно представить следующим образом: электрон некоторого атома, находящийся в возбужденном состоянии, переходит в нормальное состояние, а освободившаяся при этом энергия передается валентному электрону соседнего атома и т.д. Движение экситонного возбуждения, или просто экситона, естественно, не вызывает электрического тока в кристалле, так как перемещается не носитель заряда, а лишь возбужденное состояние. Экситон можно представить также как совместное поступательное движение по кристаллу электрона и дырки, связанных кулоновскими силами и вращающихся вокруг общего центра тяжести. На образование возбужденного состояния атома требуется меньше энергии, чем на его ионизацию. Поэтому экситону может быть приписан некоторый энергетический уровень, расположенный в запрещенной зоне. В результате на энергетической диаграмме кристалла появится экситонная зона или целая серия экситонных зон. Следует, однако, отметить, что экситонное поглощение может косвенно повлиять на фотопроводимость. В процессе движения по кристаллу экситон может быть разорван тепловыми колебаниями решетки или другим квантом света, в результате чего возникнут два свободных носителя заряда — электрон и дырка. Кроме того, экситон может встретить примесный атом и отдать свою энергию слабо связанному электрону, возбудив его в зону проводимости.

Воздействующее на полупроводник излучение может быть также поглощено свободными электронами. Этот вид поглощения наблюдается в сильно легированных полупроводниках, у которых концентрация свободных носителей весьма велика. Механизм поглощения энергии излучения свободными электронами можно, представить следующим образом: под действием электромагнитного поля излучения свободные электроны не поглощают его энергию, а совершают колебательные движения синхронно с этим полем; если в процессе этих колебаний электрон испытывает столкновения с решеткой (решеточное рассеяние), то он передаст ей энергию поля. Такой вид поглощения проявляется лишь тогда, когда время релаксации значительно меньше периода электромагнитных колебаний. В противном случае электрон возвращает электромагнитной волне накопленную им энергию. Поэтому вероятность поглощения свободными электронами возрастает с уменьшением частоты падающего излучения, т.е. проявляется в инфракрасной области спектра. Поглощение излучения свободными носителями не является фотоактивным процессом и не изменяет фотопроводимость полупроводника.

В сложных, кристаллах, содержащих несколько видов атомов, как известно, помимо акустических колебаний, наблюдаются оптические колебания решетки. Поскольку в отличие от акустических колебаний оптические колебания являются коротковолновыми, то сдвиг по фазе соседних атомов при таких колебаниях оказывается значительным. Это приводит к появлению переменного электрического дипольного момента с большой амплитудой. Если частота падающего электромагнитного излучения совпадает с частотой оптической ветви собственных колебаний атомов то будет наблюдаться резонансное поглощение энергии излучения электрическим диполем. Такое поглощение увеличивает интенсивность оптических колебаний, но не может изменить концентрацию свободных носителей.

В отличие от рассмотренных механизмов поглощения наблюдаются такие процессы поглощения, при которых каждый квант создает не один, а несколько фотоэлектронов [39]. Такое явление может наблюдаться в случае, когда энергий кванта света более чем вдвое превышает ширину запрещенной зоны. Возбужденный в зону проводимости этим квантом электрон может получить энергию больше ширины запрещенной зоны. В результате процессов рассеяния часть этой энергии он может отдать решетке, как показано, на рис. 11.3,а.

Однако при очередном столкновении с решеткой этот электрон, передав свою энергию связанному электрону, переведет его в зону проводимости. Следовательно, поглощение одного кванта приводит из-за вторичного процесса ударной ионизации к освобождению, двух электронов и двух дырок. Следует отметить, что аналогичным образом протекает процесс ионизации, если вместо фотонов полупроводник облучать заряженными частицами

большой энергии. Эти частицы в результате первичного акта ионизации образуют быстрые электроны, которые в дальнейшем благодаря, процессу многокаскадного размножения освобождают большое число электронов и дырок в зонах.

Поглощение кванта большой энергии может протекать не только. В виде единичного акта внутреннего фотоэффекта, но и в результате Комптон-эффекта, когда при столкновении кванта hν₁ с электроном последнему передается не вся энергия кванта, а лишь некоторая часть, достаточная для освобождения-электрона и дырки. Другая часть энергии сохраняется в виде кванта излучения hν₂, но уже меньшей частоты ν₂, как показано на рис. 11.3, б. Последний квант, распространяясь по кристаллу, может поглотиться, образовав новую электронно-дырочную пару.

В связи с тем, что существуют различные с точки зрения фотоактивности механизмы поглощения электромагнитного излучения полупроводником, вводится понятие о квантовом выходе фотоэффекта. Квантовым выходом называется отношение числа свободных электронов (или дырок), возникших в результате поглощения квантов света, к числу поглощенных квантов:

Если все акты поглощения света фотоактивны, то квантовый выход равен единице. Наличие актов поглощения, не приводящих к появлению фотоносителей, приводит к тому, что квантовый выход оказывается в большинстве случаев меньше единицы. Наконец, при облучении полупроводника, например ультрафиолетовым светом или еще более жестким излучением, энергия кванта которого существенно больше ширины запрещенной зоны, как было уже отмечено, возникают условия для возбуждения с помощью одного кванта нескольких электронов. В этом случае квантовый выход будет больше единицы.

Понятие о поглощении света кристаллом должно иметь некоторую количественную пространственную характеристику. Действительно, даже сильно поглощаемое излучение в крайне тонком образце будет поглощено лишь частично. В то же время, плохо поглощаемое излучение, направленное на тело значительных размеров, в конечном итоге будет почти, полностью поглощено им. Рассмотрим в этой связи характер поглощения излучения по глубине образца.

Пусть через поверхность образца в направлении, перпендикулярном этой поверхности, как показано на рис. 11.4, проходит световой поток интенсивностью I_о. Тогда количество световой энергии dI, поглощаемой в единицу времени в слое с единичной площадью и толщиной dх, будет пропорциональна интенсивности света I в сечении с координатой х и толщине этого слоя dx:

где К — коэффициент пропорциональности, именуемый коэффициентом поглощения света. Интегрируя это уравнение, получим

Найденное распределение интенсивности излучения по глубине образца иллюстрируется рис. 11.4. Из рисунка видно, что величина, обратная коэффициенту поглощения I/K, представляет собой расстояние, на котором интенсивность света падает в е раз.

Чем интенсивнее поглощается данное излучение кристаллом, тем больше коэффициент поглощения К. Величина коэффициента поглощения, естественно, не зависит от того, является ли процесс фотоактивным или нет.

Как было показано, кванты различной энергии и, следовательно, различной частоты испытывают различные механизмы поглощения в кристалле. Вероятность их поглощения также различна. Поэтому коэффициент поглощения К является частотно зависимой, характеристикой. Так, для квантов света е энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, коэффициент поглощения достигает очень больших значений порядка 10⁴—10⁶ см^-1_, в то время как при hν<ΔЕ коэффициент поглощения может уменьшиться в 10⁶—10⁷ раз.

Зависимость коэффициента поглощения от частоты получила название спектральной кривой поглощения. На рис. 11.5, а приведена качественная спектральная кривая поглощения полупроводника. Участок 1 кривой поглощения соответствует междузонным переходам (полоса собственного поглощения), участки 2, 3, 4 представляют собой полосы или линии, обусловленные примесным поглощением, экситонным поглощением и поглощением оптическими колебаниями решетки.

Штриховая линия 5 соответствует поглощению свободными носителями заряда. На рис. 11.5,б приведена спектральная кривая фототока. Нефотоактивные процессы поглощения не дают вклада в фототок. Практически наблюдаемые спектральные кривые обычно являются более сложными, что обусловлено поглощением излучения различными неконтролируемыми примесями и многочисленными дефектами решетки.

Следует отметить, что уменьшение фототока с уменьшением длины волны излучения в области собственного поглощения обусловлено тем, что спектральные кривые снимаются обычно при постоянной энергии падающего светового потока. Поскольку с увеличением частоты энергия каждого кванта возрастает, то их число уменьшается, что приводит к соответствующему уменьшению числа возбуждаемых светом электронно-дырочных пар с уменьшением длины волны света.