6. Поглощениесвободныминосителямизаряда

Рассмотренноевпредыдущихразделахпоглощениеэлектромаг-нитногоизлучениябылосвязаноспереходомэлектроновилидырокизоднойэнергетическойзоныилиподзонывдругую.Однаковозможныпереходы,прикоторыхэлектрон,поглощающийквантсвета,остаетсявтойжезоне,чтоидоперехода.Такиепереходы,безусловно,воз-можнытолькотогда,когдавэтойэнергетическойзонеестьизапол-ненные,исвободныесостояния,ивэтомслучаеможнорассматриватьпроцесспоглощениякаквзаимодействиеизлучениясгазомэлектро-нов,обладающихэффективноймассой,отличнойотмассысвободногоэлектрона(квазисвободныминосителямизаряда).Такоерассмотрениесправедливовпервуюочередьдляметаллов,авовторую–дляполу-проводников,которыеотличаютсявысокойплотностьюэлектронногогаза.Припоглощенииэлектрон,оставаясьвпределаходнойзоны,

осуществляетпереход

E₁(k₁)E₂₍k₂₎.Дляпараболичногозакона

дисперсиипрямой(безучастияфонона)переходтакоготипаневозмо-жениз-замалостиквазиимпульсафотона.Учетжеэлектрон-фононноговзаимодействияпозволяетрассматриватьпереходэлектро-наизодногосостояниявдругоекакускорениеэлектронаввысокочас-тотномполеэлектромагнитнойволныисвеститемсамымзадачупо-глощениясветаквазисвободныминосителямизарядакпроблемепереноса,т.е.движениюэлектронавтвердомтелеподвоздействиемэлектрическогополя.Вклассическомприближениикоэффициентпо-

глощениясвободныминосителями_n

пропорционаленследующим

величинам,характеризующимполупроводник:

2

n

^n0,

где

n_0,_c

_cn

–концентрацияидрейфоваяподвижностьэлектронов;–

длинаволныизлучения;n–показательпреломления.

Вэтомприближении,которое

хорошоприменимодляпоглоще-ниявсреднейИК-области,коэф-фициентпоглощенияпропорцио-наленквадратудлиныволныизлучения.Применьшихдлинахволнэтонетак.Вэтойобластидлинволнкоэффициентпоглоще-нияпо-разномузависитотдлиныволныизлученияприпреобла-даниитогоилииноговидарас-сеянияэлектронов.Так,вслучаерассеяниянаакустическихколе-

100

Коэффициентпоглощения,см^–1

50

1

10

5

2

1

0,5 ³

0,1 ⁴

0,05

1,52 3 4 6 81012

λ,мкм

банияхрешетки

_n^1,5,при

Рис.4.17.Коэффициентпоглоще-

рассеяниинаоптическихколе-баниях_n^2,5,априрассеяниинаионизированныхпримесях

3,0...3,5

ниявзависимостиотконцентрации

электронов

_n  . Вобщемслучаерезультирующийкоэффициентпогло-

щенияможетбытьзаписанкак

_nA^1,5B^2,5C^3,5,гдеА, ВиС–константы.

Нарис.4.17показанаэкспериментальнаязависимостькоэффици-

ентапоглощениядляразличнойконцентрацииэлектронов.Минимумнакривыхобусловленаддитивнымсложениемсобственногопоглоще-ния,котороеуменьшаетсясростомдлиныволны,ипоглощениемнасвободныхносителях,котороеувеличиваетсясростомдлиныволны.Каквидноизрисунка,вобластидлинволн,больших,чем6мкм,пока-

зательрвзависимости^p

равенпримерно2.

7. Решеточноепоглощение

Нарядусрассмотреннымитипамипоглощения,связаннымистемилиинымпереходомэлектрона,существуетпоглощение,обусловлен-ноенепосредственнымвзаимодействиемфотонасколебаниямирешет-ки,прикоторомэнергияпоглощенногофотонаидетнаобразованиеодногоилинесколькихфононов.Какужеговорилось,импульсфотонаhпренебрежимомал,поэтомудлявыполнениязаконасохранения

импульсаприпоглощениисобразованиемодногофононадолжновы-

полнятьсяусловие:

qh0.Сильноепоглощениерешеткойимеет

местодляполупроводников,вкоторыхсмещениеатомов,обусловлен-ноедлинноволновымиоптическимиколебаниями(q0),приводитк

возникновениюдипольногомомента,т.е.дляполупроводниковсчас-тичнойионнойсвязью.ТакоепоглощениеприсущевсемсоединениямгруппыA^IIIB^V,атакжедругимполярнымполупроводникам.Однакоуполупроводниковсковалентнойсвязью,такихкакGeиSi,поглощение,

12

Коэффициентпоглощения,см^–1

10

8

1

6

4

2

2

0

400 600 800 1000 1200 1400

Волновоечисло,см^–1

Рис.4.18.КоэффициентрешеточногопоглощениявSiвзависимостиоттемпературы:

1–Т=365К;2–Т=20К[4.15]

Закл ючение ₂₁₅

связанноесколебаниямирешетки,хотяиболееслабое,всеженаблю-дается.Нарис.4.18даныспектрыпоглощениякремнияпридвухтем-пературах.

Изрисункавидно,чтовспектрепроявляетсярядпиков,авпроме-жуткахмеждунимикоэффициентпоглощенияостаетсяконечнойве-личиной.Такоепоглощениеобъясняетсяпроцессами,вкоторыхучаст-вует,какминимум,двафонона.Вэтомслучаезаконсохраненияимпульсаможетвыполнятьсяприлюбомзначенииволновоговекторафонона,таккакприпоглощениифотонаобразуютсядвафононаспро-тивоположнымизначениямиимпульса.Тогдазаконысохраненияим-пульсаиэнергиизаписываютсякак

q_1q_2k_фот

илиq_1q_2;

₁(q₁)₂₍q_2).

Сложноестроениеспектрапоглощенияобъясняетсяналичиемвоз-можныхкомбинацийфононовакустическихиоптическихколебанийкакпродольных,такипоперечных.Нарис.4.18самыйбольшойпикпри610см^{–1связан}свозбуждениемодногофононапоперечнойакустиче-скойветвииодногофононапродольнойоптическойветви,апикпри1148см^{–1связан}свозбуждениемтрехпоперечныхоптическихфононов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Такимобразом,взаимодействиеэлектромагнитногоизлученияствердымтелом,априменительнокприемникамизлучения–сполу-проводниками,описываетсянаязыкеквантовоймеханики.Приэтом,исходяизпериодичностисвойствкристаллическоготелаипривведе-нииосновныхприближений,состоящихвзаменеатомныхядернепод-вижнымиатомнымиостовами,строгорасположеннымивузлахперио-дическойкристаллическойрешетки,изаменеэлектрон-электронноговзаимодействияэффективнымполем,рассчитываетсясовокупностьразрешенныхизапрещенныхсостоянийэлектроноввпространствеквазиимпульсов.

Подвоздействиемэлектромагнитногоизлучения,котороерассмат-риваетсякакансамбльфотонов,каждыйактпоглощенияфотонаозна-чаетегоисчезновениеспередачейэнергиииимпульсатвердомутелу

какцелому.Длярассмотренияфизическихпринциповработыфото-

приемниковважно,чтоэнергияфотонапередаетсяэлектрону,которыйпереходитизодногоэнергетическогосостояниявдругое.

Собственноепоглощение,связанноеспереходомэлектронаизва-лентнойзонывзонупроводимости,ипримесноепоглощение,связан-ноеспереходомэлектрона(дырки)излокализованногосостояниянадонорном(акцепторном)уровневзонупроводимости(валентнуюзо-ну),являютсянаиболееважнымитипамипоглощения,используемымидляприемаизлучения.

ЛИТЕРАТУРА

1. ТарасовЛ.В.Основыквантовоймеханики/Л.В.Тарасов.–М.:Высшаяшк.,1978.– 288с.

2. ВихманЭ.Квантоваяфизика/Э.Вихман.– М. :Наука,1974.– 416с.

3. Бонч-БруевичВ.Л.Физикаполупроводников/В.Л.Бонч-Бруевич,С.Г.Калашников.–М. :Наука,1977.– 672с.

4. МоссТ.Полупроводниковаяоптоэлектроника/Т.Мосс,Г.Баррел,Б.Эллис.– М., Мир,1976,–432с.

5. СоколовА.В.Оптическиесвойстваметаллов/А.В.Соколов.–М.:ГИФМЛ,1961.– 464с.

6. ЗайманДж.Принципытеориитвердоготела/Дж.Займан.–М.:Мир, 1966.–416с.

7. ЗеегерК.Физикаполупроводников/К.Зеегер.–М.:Мир,1977.–

616с.

8. КалитеевскийН.И.Волноваяоптика/Н.И.Калитеевский.–М.:Высшаяшк.,1995.– 464с.

9. ВандеВилеФ.Просветляющиепленкиимногослойныеструктуры.Полупроводниковыеформирователисигналовизображения/Ф.ВандеВи-ле.– М. :Мир,1979.–576с.

10. ЦидильковскийИ.М.ЭлектроныидыркивполупроводникахИ.М.Цидильковский.–М. :Наука,1972. – 640с.

4.11БлекморДж.Статистикаэлектроноввполупроводниках/Дж.Блек-мор.– М.:Мир,1964.– 392с.

12. ПанковЖ.Оптическиепроцессывполупроводниках/Ж.Панков.–М. :Мир,1973.–456с.

13. МоссТ.Оптическиесвойстваполупроводников/Т.Мосс.– М.,1964.– 304с.

14. ХайбибулинИ.Б.Физическиеосновылазерногоотжигаполупровод-

ников.Материалыполупроводниковойэлектроники/И.Б.Хайбибулин.–Л.:Изд-воАНСССР;ФТИим.А.Ф.Иоффе,1984.– 244с.

12. ШалимоваК.В.Физикаполупроводников/К.В.Шалимова.–М.:Энергия,1976.– 416с.

Заключение ₂₁₇

ГЛАВА5

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕПРИЕМНИКИИЗЛУЧЕНИЯОПРЕДЕЛЕНИЯИПАРАМЕТРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Кфотоэлектрическимприемникамотносятприемникитакоготипа,вкоторыхпоявлениефотосигналасвязанонесразогревом,асизмене-ниемсостоянияносителейзаряда,посути–ктомуилииномувидувозбужденияэлектроновтвердоготела,котороеможетвыражатьсявизменениисопротивления,появлениифототокаилифотонапряженияит.п.Вообщеговоря,температураприемникаприэтомтожеможетме-няться,этоприводити кизменениюегохарактеристик,однаковы-званныеэтимэффекты–следующегопорядкамалости.Фотоэлектри-ческиеприемникиделятсянаприборысвнешнимфотоэффектом,когдаэлектроныуходятсповерхноститвердоготела,инаприборысвнутреннимфотоэффектом,когдавозбуждаемыефотоэлектронынепокидаюттвердоготела.Преждечемперейтикприборамнавнутрен-немфотоэффекте–основесовременнойтвердотельноймикрофото-электроники,остановимсянаприборахсвнешнимфотоэффектом.Кним,например,относятсяприборыночноговиденияиразличныетипыпередающихтелевизионныхтрубок.

Подвнешнимфотоэффектомпонимаетсяявлениевырыванияэлек-тронасповерхноститвердоготелаввакуумподвоздействиемэлек-тромагнитногоизлучения.Историческиприборынаосновевнешнегофотоэффектапоявилисьраньше,чемнаосновевнутреннего,ирольих

всовременнойтехникепо-прежнемувелика.Внешнийфотоэффектописываетсятремяосновнымиэкспериментальнымизаконами.

1. Примонохроматическомосвещении(длинаволны=const)фо-тотокпропорционаленпадающеймощности.

2. Существуетдлинноволноваяграницаспектраизлучения,зако-торойфототокотсутствует.Ееназываюттакже«краснойграницей»фотоответаиобозначают_кр,ачастоту,соответственно,_кр.

3. Энергиявышедшихввакуумэлектроновпримонохроматиче-

скомосвещениинезависитотпадающеймощности,амаксимальнаявеличинакинетическойэнергиивышедшихввакуумэлектроновсвя-занасчастотойпадающегоизлучениякак

2

^mvmax

2

ab.

А.Эйнштейнпредположил,чтоэнергияфотонасвязанасегочас-тотойкакEh,гдеh–постоянная Планка,иполучилсоотношение:

mv²

h ^max,

2

где–минимальнаяэнергия,необходимаядляудаленияэлектронаввакуум–такназываемаяработавыходаданногоматериала.

Тогда_{кропределяется}величинойработывыхода,котораявсвоюочередьзависитотусловийнаповерхноститвердоготела:обработки,

наличияадсорбированныхгазовит.д.Энергетическийуровеньвакуу-

манаходитсявышекраязоныпроводимостилюбоготвердоготела.Поэтому,длятогочтобывозбужденныйсветомэлектронмогвприн-ципевыйтиввакуум,необходимо,чтобыэнергияфотоназначительнопревышалаширинузапрещеннойзоныданногоматериала.Дляуменьшения_{криспользуется}покрытиеизматериала,работавыходаизкоторогозначительноменьше,чемуматериалафотокатода,например,тонкое,субмонослойноепокрытиеизатомовцезияскислородом.Вчистыхметаллахквантовыйвыходдлявнешнегофотоэффектаобычнолежитвпределах0,00001...0,001,авоптимизированныхполупровод-никовыхфотокатодахможетдостигатьпримерно0,3.

Внутреннийфотоэффектсостоитвувеличенииконцентрациисво-

бодныхносителейзаряда(вобщемслучае–вувеличениипроводимо-сти)припоглощенииизлучения.Очевидно,чтоувеличениеконцен-

Введение ₂₁₉

трациисвободныхносителейзарядаможетбытьлишьприсобствен-номипримесномпоглощениивполупроводниках–такназываемомфотоактивномпоглощении.Частофотоприемникинаосновевнутрен-негофотоэффектаназываютфотоннымиприемниками.Взависимостиотналичиявнутреннихивнешнихполейвполупроводникемогутиметьместоследующиефотоэлектрическиеявления(рис.5.1).

1. Однородныйполупроводник(т.е.отсутствуютвнутренниеили

встроенныеполя)иотсутствиевнешнихполей(рис.5.1,а).

Подвоздействиемосвещениявполупроводникерождаютсяэлек-тронно-дырочныепарывблизиповерхности,азатемонидиффунди-

руютвглубьполупроводника.Из-забольшейподвижностиэлектроновустанавливаетсяэлектрическоеполе,котороевыравниваетпотокиэлектроновидырок.

^Φ Φ

+₊

–_––

_– j

+ _–

^++–+

n ^jр

^+–_+–

–

_––

_{++ Е}

+

а б

^{Φ Φ– n p} +

+ _–+

^–+

+В ^–+

–₊

^–+

– _–+

в г

Рис.5.1.Схематическоеизображениепроцессовводнороднома...винеоднородном(г)полу-проводнике,происходящихподвоздействиемосвещения:

а–эффектДембера;б–фотопроводимость;в–фо-тоэлектромагнитныйэффект;г–фотовольтаический

эффект

2. Однородныйполупроводник,ккоторомуприложеновнешнееэлектрическоеполе(рис.5.1,б).

^{ВовнешнемэлектрическомполеEнеравновесныеносителизаря-да,}созданныеосвещением,принимаютучастиевтоке,которыйприосвещенииувеличивается.Наблюдаетсяфотопроводимость,т.е.уве-личениепроводимостиприосвещении.

3. Однородныйполупроводник,ккоторомуприложеновнешнее

магнитноеполе(рис.5.1,в).

Подвоздействиемосвещениявполупроводникерождаютсяэлек-тронно-дырочныепарывблизиповерхности,азатемонидиффунди-

руютвглубьполупроводника.ПриложенноевнешнеемагнитноеполеBповорачиваетэлектроныидыркивразныестороны,ивнаправле-нии,перпендикулярномсветуимагнитномуполю,возникаетэлектри-ческоеполе.Наблюдаетсяфотоэлектромагнитныйэффект.

4. Неоднородныйполупроводник,например,гетеро-илиp–n-пере-ход(рис.5.1,г).

Вp–n-переходеобразуютсяэлектронно-дырочныепары,которые

подвоздействиемвстроенногоконтактногополяразделяются:элек-троныуходятвn-область,адырки–вp-область.Есливнешняяцепьзамкнута(втомчислеприналичиивнешнегонапряжения),внейпро-текаетфототок,аеслиразомкнута,товозникаетфотоЭДС.Наблюдает-сяфотовольтаическийэффект.

Общимдлявсехуказанныхэффектовявляетсято,чтововнешнейцепинасопротивлениинагрузки,включенномпоследовательноспри-

емникомизлученияиисточникомнапряженияилитока,появляетсяэлектрическийсигналподвоздействиемсвета.

Вэтойглаве,доизученияфизическихпринциповработыприемни-ковизлученияразноготипа,мырассмотримосновныеопределения,относящиесякакксамимприемникам,такикихпараметрамимето-дамизмеренийэтихпараметров.ВсеформулировкисоответствуютГОСТ21934-83иГОСТ17772-88[5.1,5.2].Представляется,чтотакаяпоследовательностьизложенияпозволитлучшевоспринятьпосле-дующиеглавыидополнительнуюлитературупотеме.