книги из ГПНТБ / Арсенид галлия. Получение, свойства и применение

р—«-переходов в GaAs исследовалось также и при больших энергиях [232—234]. В работе [232] исследовались при комнатной температуре р—«-переходы, освещаемые с р-сторопы. Наблюдавшееся при этом сильное (примерно в 3 раза) увеличение фоточувствнтельности, начинающееся при / ш = 3 эв с последующим спадом после оо4,3 эв, свя­ зывалось с изменением времени жизни неосновных носи­ телей — электронов, созданных светом с Тш=3—4 эв. Такое изменепие может вызываться рассеянием этих

В работе [234] аналогичные измерения были проведены как иа образцах, освещаемых с р-стороны, так п па образ­ цах, освещаемых с «-стороны, при различных температу­ рах (рпс. 8.32). В области энергий фотонов /ш ^> 3 эв спектральное распределение фототока в расчете на один поглощенный фотон для образцов обоих типов было по­ добно. Начиная примерно с / ш = 3 , 2 эв (при комнатной температуре) наблюдается небольшой рост фоточувстви­ тельности, прекращающийся при Й(о»4,3 эв. Второй рост фоточувствительностп начинается при Тга 5 эв. Подобие спектров фоточувствительиости для образцов, освещаемых

поглощения свет в гг-область не проходит) и с ?1-стороны (фототок определяется дырками из ?г-областп), показывает, что указанные особенности спектров не связаны с измене­ нием времени жизии и подвижности неосновных носителей из-за генерации их светом в различных частях энергети­ ческих зон. В этих условиях естественно предположить, что указанная структура определяется изменением кван­ тового выхода внутреннего фотоэффекта вследствие удар­ ной ионизации носителями, получившими высокую энер­ гию при поглощении фотонов с /г со ^> 3 эв. Начало роста при Ясоя^З,2 эв и дальнейшее изменение квантового выхода можно качественно объяснить, пеходя из зонной струк­ туры арсенида галлия на основе следующих предположе­ ний относительно процесса ударной поинзацни образовав­ шимися в результате этого поглощения носителями тока.

1. Вероятность ударной ионизации носителем тока, имеющим энергию выше пороговой, достаточно высока,

Q

Рпс. 8.32. Спектральное распределение эффективного квантового выхода р—п-переходов^в GaAs при апергнях фотопов до 5,4 ов. а) p-n-переход, освещаемый с р-стороны; б) р-н-переход, освещаемый с п-сто- роны.

8.3] Ф О Т О Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е С В О Й С Т В А 413

чтобы можно было считать, что заметное число таких носи­ телей производит ионизацию непосредственно из того состояния, куда они переводятся квантами света.

2. Ударная ионизация происходит без участия фонопов; это накладывает определенные ограничения на на­ чальные и конечные состояния участвующих в ионизации частиц, связанные с требованием сохранения квазипмпульса и энергии.

Если учесть, что поглощение фотонов с энергией /ico ^> &g в арсениде галлпя происходит в основном за счет

с,3d

Рдс. 8.33. Схемы возможных переходов при поглощенпп фотона п ударной ионизации без участия фононов в структуре энергети­ ческих зон арсенида галлпя.

прямых оптпческих переходов (гл. 3), то, как видно из рассмотрения зонной структуры арсенида галлпя, мини­ мальная энергия фотонов, в результате поглощения кото­ рых создаются электроны, способные ударно ионизовать, равна примерно 3,2 эв [234]. Оптические переходы такого типа показаны на рис. 8.33 (переходы / ) . На этом же

в слое объемного заряда при подаче обратного напряже­ ния. На длинноволновом крае собственного фотоэффекта

некоторой энергии фотонов

AQ (U)> AH(U)П(0)

Таким образом, изменение фоточувствптельиостп в силу эффекта Келдыша — Фрапца, которое полностью опреде­ ляется АКШ [105], составляет лишь часть полного измене­ ния фоточувствительиости при приложении обратного смещения. Для объяснения механизма этого явления было предположено, что часть поглощения, нанес бывшая нефотоактнвпой, при увеличении напряжеппости электри­ ческого поля в слое объемного заряда р — /г-перехода становится фотоактпвной. Этот эффект может осуществ­ ляться в случае оптического поглощения за счет межпрнмесных переходов электронов с заполненного уровня, расположенного у валентной зопы, па свободный уровень вблизи зоны проводимости. Подобные переходы не дают свободных носителей и потому поглощение пефотоактивио. Вклад в стационарный фотоэффект не дают также переходы примесный уровень — зона, если прп этом ие создаются пары свободных носителей тока. В сильном электрическом поле носители тока, заброшенные па примесный уровень светом, благодаря туннельному эффекту пли просто пони­ жению потенциального барьера примесного центра могут быть -выброшены с него в соответствующую зону и дадут вклад 1в фотоэффект. Описанная ситуация может иметь место >в слое объемного заряда р — 7г-перехода, где уровень Ферми расположен далеко от краев зон, и'потому верхние уровни пусты, а нижние всегда заполнены, и прп обратном смещении существует достаточно сильное электрическое

поле. С увеличением поля разница AQ> (и) — ^ '

должна вначале быстро увеличиваться, а затем оставаться постоянной, когда вероятность выбрасывания с уровня приблизится к единице. Это и наблюдалось иа опыте [105]. Коэффициент поглощения, вызванный межпрггаеснымн переходами при концентрации прпмеспых центров по­ рядка 101 7 может достигать 102 см _ I [237]. Эта величина по порядку согласуется с величинами, оцененными по из­ менениям фоточувствительности (на основапии формулы (8.23)) при электрических полях более 105 в/см в слое

418 Э Л Е К Т Р О Н Н О - Д Ы Р О Ч Н Ы Е П Е Р Е Х О Д Ы [ГЛ. 8

в запрещенную зону [М38] . При этом может наблюдаться как стационарная, так и нестационарная фото-э.д.с, возникающая только в моменты включения и выключения света. Первая связана с генерацией неосновных носителей тока. Вторая возникает при геиерацип основных носите­ лей и обусловлена различными временами установления фото-э.д.с. в различных частях р—«-перехода. Поскольку относительное количество генерируемых светом основных п неосновных носителей зависит от энергии фотона, спект­ ральное распределение стационарной и нестационарной фото-э.д.с. различны. Примером стационарной фото-э.д.с, связанной с примесным возбуждением в />—«-переходах в GaAs, является фото-э.д.с. в области ступеньки иа длин­ новолновом крае фоточувствительности (ool,3G эв при комнатной температуре). Однако в ряде случаев в р—«-пе­ реходах в GaAs с большой концентрацией примесей, дающих глубокие уровни, наблюдалась фоточувствительиость, про­ стирающаяся до энергий фотонов менее г8/2 1238]. При этом наблюдалась как стационарная, так и нестационар­ ная фото-э.д.с. с относптельио большой постоянной времени релаксации 1 — 2 м с е к прп температуре ~ 9 0 ° К. На рпс. 8.35 представлены спектры фото-э.д.с. одного из таких р—«-переходов при освещении непрерываемым светом и прямоугольными световыми импульсами длительностью - о 2 , 5 мсек с частотой повторения ^200гц . В первом случае возникает только стационарная фото-э.д.с, во втором — вместе со стационарной возникает и регистрируется и иестацпонарная фото-э.д.с. С этим и связаны различия в спектрах п величине фоточувствительности при различ­ ных способах освещения. На кривой фоточувствитель­ ности, простирающейся далеко в область /ico <^ sg, при низкой температуре отчетливо видны несколько ступенек, по началу которых можно определить энергетическое положение примесных уровней, с которых происходит возбуждение неравновесных носителей, обусловливающих фото-э.д.с. Большинство этих уровней можно связать с присутствием в образце наиболее часто встречающихся

генерация неосновных носителей наблюдались только при

ток должен квадратично меняться с изменением интенсив­ ности света. Однако экспериментальная зависимость ста­

Одноступенчатые оптические переходы дают неосновные носнтелп лпшь в том случае, если глубокие примесные уровни, лежащие в полупроводнике гг-тппа, пусты, а в р-полупроводнпке заняты электропамп. В спльно легированных квазпнейтральиых областях р—?г-порехода подобные переходы невозможны. Указанные соображения позволяют сделать вывод, что генерация электронов и дырок происходит в переходном слое р—?г-перехода. В этой области, в которой существует сильпое электри­ ческое поле, разделяющее носители тока разного знака, двойные оптические переходы могут давать стационарный фототок, зависящий от интенсивности света линейно [239].

реходом могут быть подразделены на два класса: 1) преоб­ разователи энергии излучения (электромагнитного или корпускулярного) в электрическую; 2) преобразователи

приборы как первой (солнечные элементы), так и второй групп (детекторы видимого и инфракрасного света, рентге­ новского и у-излучений, ионизующих частиц). Приборы первого класса н большинство приборов второго класса основаны на использовании явления вентильного фото­ эффекта в р—?г-переходах и часто могут различаться только некоторыми деталями устройства и схемой при­ менения.

В соответствии с приведенным в этой главе общим уравнением фотодиода (8.16) эквивалентная схема идеаль­ ного фотоэлемента, описывающая его работу при постоян­ ном освещении, может быть представлена в виде параллельного соединения генератора тока/ф и нефотоактивиого р—тг-перехода, имеющего вольтампериую характери­