Домішкова фотопровідність

При наявності в забороненій зоні напівпровідника локальних домішкових рівнів випромінювання, так як і теплове збудження, може викликати переходи електронів між домішковими рівнями і зонами (мал. 1 переходи 2,3).

Мал. 4. Залежність фотопровідності германію з домішками Mn, Ni, Co і Fe

від енергії фотонів.

Поглинання і фотопровідність, обумовлена такими переходами, називають домішковими. Енергія іонізації рівнів, розміщених в забороненій зоні, звичайно менша, чим ширина забороненої зони ∆E. Тому довгохвильова границя домішкового поглинання і фотопровідності здвигнута в довгохвильовий бік спектра по відношенню до власного поглинання і фотопровідності.

На мал. 4 показані спектральні залежності фотопровідності германію з різними домішками. Енергія відповідна довгохвильовій границі фотопровідності домішок, близька до енергії її термічної іонізації.

У випадку домішкового поглинання інтенсивність генерації носіїв βkJ змінюється не лінійно з зміною інтенсивності світла, так як коефіцієнт поглинання світла k в домішковій області поглинання не лишається постійним (k залежить від J), а зменшується з збільшенням інтенсивності світла із-за спустошення домішкових центрів. Тому люкс амперна характеристика в області домішкової фотопровідності буде лінійна лише при малих інтенсивностях світла, і буде досягати насичення для великих інтенсивностей світла при повному спустошенні домішкових центрів.

Залежність коефіцієнта поглинання k(J) в домішковій області від інтенсивності випромінювання має також важливе значення в процесах релаксації домішкової фотопровідності. В простому випадку збудження домішкової фотопровідності зв'язане з появою вільних носіїв тільки одного знаку, тоді коли заряди протилежного знаку залишаються локалізованими на атомах домішки. Тому процеси спільної дифузії і дрейфа пар електрон-дірка в умовах електронейтральності не можуть мати міста.

Характеристикою процесу дифузії є не дифузійна довжина екранізації. При концентраціях носіїв заряду, характерних для таких матеріалів, як германій і кремній, дебаївська довжина екранізації дуже мала (10^-6 –10^-4см), процеси дифузії носіїв заряду при їх неоднорідній генерації можна не враховувати.

Вимірювальне устаткування і методика вимірювань

Принципова схема вимірювального устаткування для дослідження фотопровідності приведена на мал. 5.

Мал. 5. Принципова схема вимірювальної установки.

Світло від джерела світла Л з допомогою оптичної системи ОС фокусується на вихідну щілину S₁ монохроматора МХ. Світловий потік можна модулювати механічним модулятором М і послаблювати з допомогою фільтрів Ф. Із вихідної щілини S₂ монохроматора випромінювання направляється на зразок напівпровідника і повністю поглинається в ньому, викликаючи фотопровідність. Електричний сигнал, виникаючий на навантажуючому опорі R_H в колі зразка підсилюється підсилювачем У, вимірюється ламповим вольтметром ЛВ і контролюється на екрані осцилографа О.

Джерелом світла в вимірювальному усгаткуванні є вольфрамова лампа розжарювання. Розподіл енергії по спектру лампи p(λ) приводиться в додатку до вимірювальної устаткування.

Модулятор світла представляє собою диск з вирізами, який обертається електродвигуном. Частота модуляції світла визначається числом обертів електродвигуна і числом вирізів в диску.

Розклад світла по довжинам хвиль здійснюється з допомогою монохроматора УМ-2. Величина спектрального інтервалу σλ, що виходить із монохроматора, залежить від ширини вихідної щілини S₂ і дисперсії приладу D(λ):σλ=S₂D(λ).

Кількість світлової енергії, що проходить через вхідну щілину монохроматора,

σE=ap(λ) σλ=ap(λ)S₂D(λ),

де а- коефіцієнт пропорційності.

Крива дисперсії дається в додатку до вимірювального устаткування.

Схема вимірювань

Послідовно до зразка, опір якого в темноті r, ввімкнена батарея з напругою U і опором навантаження R_н. При освітленні зразка модульованим світлом на опорі навантаження виникає змінний сигнал, який підсилюється підсилювачем і вимірюється вольтметром.

Знайдемо відношення між змінним сигналом u, що виникає на R_н, і зміною електропровідністю зразка ∆σ під впливом світла. Нехай опір зразка зменшиться при освітленні на ∆r, тоді струм в колі зразка при освітленні і_с і в темноті і_т, рівний:

; і

. (20)

Визначаємо ∆r із (20), а потім виражаючи ∆r через ∆σ , одержимо

. (21)

Якщо R_H<<r, то (21) матиме вигляд . (22)

Таким чином, змінна напруга u на опорі навантаження пропорційна зміні електропровідності зразка.

Висновки:

В результаті виконання лабораторної роботи отримані спектральні залежності фотопровідності для наступних 4-х матеріалів: ZnS, CdS, Si, Ge.