Фоторезистивный эффект

Существование собственного и примесного поглощения в полупроводниках приводит к тому, что концентрация подвижных носителей заряда в полупроводнике увеличивается на величину или , или того и другого одновременно, а значит и возрастает его проводимость

.

Здесь – проводимость полупроводника после облучения, , – концентрации электронов и дырок до облучения, а и – концентрации неравновесных носителе в результате облучения.

Изменение электропроводности полупроводника под действием света называют фотопроводимостью. Ее нетрудно вычислить, вычтя из общей проводимости начальную , до облучения

.

Из уравнения видно, что фотопроводимость полупроводника определяется неравновесными носителями заряда.

На рис. 8 нашли отражение процессы, происходящие в полупроводнике при воздействии на него прямоугольного светового импульса.

Рис. 8. Изменение концентрации носителей заряда в полупроводнике под воздействием импульса света.

Так, при включении светового потока концентрация неравновесных носителей заряда (например, электронов ) будет возрастать по экспоненциальному закону

,

где – время жизни носителей заряда.

На рис. 8 видно, что значение сначала быстро увеличивается, благодаря собственному и примесному поглощению, затем рост замедляется, поскольку усиливаются рекомбинационные процессы (возросло количество электронно-дырочных пар). В конечном итоге между процессами фотогенерации и рекомбинации устанавливается равновесие, и достигает своего стационарного значения

.

После выключения светового потока концентрация неравновесных носителей заряда описывается уравнением

,

из которого следует, что она уменьшается со временем, благодаря процессам рекомбинации носителей заряда. В конце этого процесса проводимость полупроводника характеризуется равновесной концентрацией, которая была до облучения. Аналогично ведет себя и фотопроводимость полупроводника . Явление постепенного изменения при включении и выключении светового потока называют релаксацией фотопроводимости.

Контакт полупроводников p- и n-типа

На контакте двух областей полупроводника с электронной и дырочной проводимостью вблизи металлургической границы возникает тонкий переходный слой, обладающий совершенно особыми свойствами. Этот слой называют электроно-дырочным переходом (ЭДП), или р-n переходом.

Если концентрация примесей в обеих областях полупроводника одинакова , то и концентрация основных носителей заряда в этих областях также одинакова. При этом p-n переход проникает в области p и n на одинаковую ширину. Такие p-n переходы называются симметричными.

Если концентрации примесей в областях различаются (например, ), то переход будет проникать на большую глубину в область, которая легирована слабее, а, значит, p-n-переход будет несимметричным. На практике чаще рассматривают несимметричные переходы, образованные областями, у которых концентрация основных носителей заряда различается в 100 – 1000 раз. Именно такие p-n переходы используются для изготовления полупроводниковых приборов.

Образование электронно-дырочного перехода

Рассмотрим контакт двух областей полупроводника p- и n-типа, различающихся концентрацией на три порядка, и покажем, что в этом случае образуется несимметричный p-n переход. С этой целью проанализируем физические процессы на границе двух полупроводников с различным типом проводимости. На рис. 9, а – д представлены структура p-n перехода и графические характеристики, поясняющие ее образование.

Будем считать, что в областях p и n концентрации примесей постоянны в направлении оси х, и распределение подвижных носителей заряда в этих областях равномерно. На рис. 9, б показано, что концентрация основных носителей заряда в полупроводнике р-типа больше, чем в полупроводнике n-типа, так как они характеризуются соотношениями: ; , где и – малы, а (концентрации различаются в 100 – 1000 раз). Для неосновных носителей соотношения обратные: , поскольку должен выполняться закон действующих масс .

а

б

в

г

д

p_p

n_p

n_n

p_n

Рис. 9. Характеристики, поясняющие образование p-n перехода:

а – структура p-n перехода; б – распределение подвижных носителей заряда; в – распределение неподвижных носителей заряда; г – распределение потенциала; д – распределение напряженности электрического поля

Дырки в полупроводнике р-типа являются основными носителями заряда, а в полупроводнике n-типа – неосновными, электроны – основные носители в полупроводнике n-типа, а в полупроводнике р-типа они неосновные носители заряда. Именно поэтому их концентрации характеризуют следующие соотношения: , а . Таким образом, на границе областей p и n возникает градиент концентрации электронов и дырок, под действием которого дырки диффундируют в n-область, а электроны – в р-область, где эти носители заряда становятся неосновными.

С диффузионным перемещением основных носителей заряда связано появление диффузионного тока через границу полупроводников с разным типом проводимости. Плотность суммарного диффузионного тока, направление которого совпадает с перемещением дырок, определяется двумя составляющими:

,

где , .

Диффузионный перенос заряженных частиц сопровождается нарушением нейтральности областей полупроводника, прилегающих к металлургической границе, для которых до диффузии выполнялись соотношения:

,

.

В р-области, вблизи металлургической границы, из-за ухода дырок остается нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных ионов акцепторных примесей ( можно не учитывать по причине малости), а в n-области из-за ухода электронов остается нескомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси ( – мало). На рис. 9, в они обозначены соответственно и , а на рис. 9, а – кружочками со знаками «+» и «–». Таким образом, вблизи металлургической границы областей р- и n-типа образуется заряженный слой, обедненный подвижными носителями заряда. Его принято называть p-n переходом. Чтобы доказать, что переход получился несимметричный, нужно рассчитать величину зарядов и , для чего концентрацию примесей в объеме умножить на этот объем. Для двумерной структуры получим

,

где и – ширина перехода соответственно в областях p и n.

При общей нейтральности p-n структуры суммарные положительные и отрицательные заряды должны компенсировать друг друга, то есть , а значит . По условию , поэтому , то есть p-n переход получился несимметричный. Общая ширина перехода .

Образование объемных зарядов внутри переходного слоя приводит к изменению электростатического потенциала в структуре: в n-области этот потенциал оказывается более положительным, чем в р-области (рис. 9, г). В этих областях потенциалы остаются постоянными, поскольку заряды акцепторов и доноров в этих областях компенсируется зарядами подвижных носителей.

На границе же областей р и n электростатический потенциал претерпевает изменение, то есть в области p-n перехода имеет место градиент потенциала. В таком случае говорят, что в p-n переходе образуется потенциальный барьер, высота которого определяется контактной разностью потенциалов .

Одновременно с образованием контактной разности потенциалов в ЭДП появляется внутреннее электрическое поле: (рис. 9, д). Вектор поля направлен от n-области к р-области.

Образовавшийся потенциальный барьер препятствует перемещению основных носителей заряда через p-n переход, поле напряженности вытесняет основные носители заряда из перехода в «свои» области. Однако это же поле является ускоряющим для неосновных носителей: дырок из n-области, электронов из р-области. В поле напряженности наблюдается их дрейф, а значит и дрейфовый ток, плотность которого равна

,

где , .

Движение зарядов прекращается, когда наступает динамическое равновесие, и токи через переход уравниваются , а значит, во внешней цепи ток равен нулю. Такое состояние перехода называют равновесным.