Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Ч.3. Развернутый конспект лекций
.pdf
141
Переходы 1, 3, 4 изменяют электропроводность кристаллов,
на этом явлении внутреннего фотоэффекта основана работа
многих фотоприемников. При внутрипримесных переходах 6
электрон не освобождается, процесс поглощения света не приводит к изменению электропроводности. То же относится к
экситонному поглощению, переходу в ДАП и поглощению
свободными носителями заряда (переход 7), более характерному для металлов. Если под действием света осуществляются
переходы с участием точечных дефектов (переходы 3 – 5), закон сохранения импульса может выполняться при участии самих дефектов.
Экспериментально установлено, что уменьшение потока излучения в среде толщиной dl пропорционально величине пройденного пути и потоку падающего излучения
dФ Фdl, (14.1)
где – коэффициент пропорциональности, получивший название показателя поглощения (не путать с коэффициентом поглощения, который представляет собой отношение потока излучения, поглощенного телом, к потоку излучения, упавшему
на это тело). Разделяя переменные и интегрируя, получим закон Бугера-Ламберта:
x
Ф Ф0e
,
(14.2)
установленный экспериментально в 1729 году П. Бугером и
теоретически обоснованный в 1760 году И. Ламбертом. При l*
1/ имеем Ф(l) Ф0/e (где е 2,72 – основание натурального
логарифма, Ф0 – поток излучения, входящего в кристалл), т.е.
показатель поглощения является величиной обратной расстоянию, на котором поток излучения уменьшается в е раз.
В случае собственного поглощения 105 см1 и l* 0,1 мкм,
при примесном поглощении излучения 10 100 см1, т.к.
концентрация примесей (обычно порядка 1016 1018 см3) существенно меньше концентрации атомов основного вещества.
Зависимость показателя от длины волны (или частоты)
падающего света называется спектром поглощения вещества.
Обобщенная зависимость от h показана на рис. 14.2. Соб-
142
ln, см1
2 1
3
3, 4
2
7
1 8
5, 6
h0 h
Рис. 14.2
ственное поглощение начинается при частоте 0, в первом приближении соответствующей h0 , на краю которого при
низких температурах хорошо проявляется структура экситонного поглощения света (переходы 1, 2). Примесное поглощение
создает полосы 3 6 (полоса 5 может иметь более явный структурный характер), в широком диапазоне частот присутствует
слабое поглощение света свободными носителями заряда (полоса 7), и, наконец, при малых энергиях кванта излучения обычно
хорошо выделяется участок 8, связанный с поглощением излучения ионами кристаллической решетки (в этом случае световая энергия превращается в энергию колебания ионов).
Заметим, что деформация кристалла, присутствие внешнего
электрического поля, температура образца оказывают существенное влияние на характер спектра поглощения. В частности, у полупроводников с повышением температуры происходит расширение кристаллической решетки и усиление колебания атомов относительно положения равновесия, что сопровождается уменьшением ширины запрещенной зоны.
Примесное поглощение света может привести к определенной окраске кристаллов. Например, кристаллы рубина имеют
темно-красную окраску, сапфиры – голубую. Окраска этих
143
IФ
V2 V1
V1
0 Ф
в)
Ф
V I
а)
Рис.14.3
IФ
MAX
h h
MIN
б)
материалов связана с наличием в кристаллах Al2O3 соответственно примеси Cr3+ и Ti3+, внутрицентровые переходы в которой и задают определенный цвет образца. Точное воспроизведение окраски является важным элементом производства
ювелирных кристаллов.
14.2 Фотопроводимость, фотоэффект в p-n–переходах
и МДП-структурах
Поглощение света, как уже отмечалось ранее, может приве-
сти к появлению в разрешенных зонах избыточных носителей,
которые в присутствии электрического поля принимают участие в переносе заряда (рис. 14.3.а). Эту дополнительную проводимость называют фотопроводимостью (впервые наблюдалась в Se У. Смитом в 1837 г.), а само явление – внутренним
фотоэффектом. Максимальная длина волны, при которой свет
ещё вызывает фотопроводимость, называется длинноволновой
границей внутреннего фотоэффекта, рис. 14.3.б.
Эта длина волны в зависимости от механизма поглощения
света приближенно рассчитывается по формулам:
где E – ширина запрещенной зоны, EП – энергия активации
примесных атомов или собственных дефектов кристаллической
сh/, или
MAX
ch/EП, (14.3)
MAX
144
решетки (EП соответствует энергии переходов 3, 4 на рис. 14.1).
Подбором полупроводника и его примесного состава можно
создавать фотоэлементы (фотосопротивления или фоторезисторы), чувствительные к свету в широком диапазоне от ультрафиолетовой до далекой инфракрасной области спектра. В
частности, наиболее чувствительные фотосопротивления в
видимой области спектра изготавливают из сульфида кадмия
(фотопроводимость может в 105 106 раз превышать темновую
проводимость), они находят заметное применение в экспонометрах, автоматических затворах фотоаппаратов и т.д. Для
инфракрасного диапазона широко используются фотосопротивления из сернистого свинца.
Кроме того, при поглощении свободными носителями
длинноволнового инфракрасного (ИК) излучения происходит
увеличение их энергии («разогрев» электронного газа), что
приводит к изменению подвижности этих носителей заряда и,
следовательно, к изменению электропроводности (подвижностная электропроводность).
При применении фотосопротивлений надо учитывать плав-
ный спад фототока при переходе в область малых длин волн
(рис. 14.3.б). Это объясняется тем, что при большом показателе
собственного поглощения весь свет поглощается в поверхностном слое кристалла, где очень велика скорость рекомбинации
носителей заряда. Вследствие этого, время жизни свободных
носителей заряда уменьшается и, следовательно, падает их
концентрация и фототок.
Как правило, время жизни (существования) неравновесных
носителей заряда значительно превосходит время их термализации, и поэтому кинетическая энергия неравновесных носителей соответствует средней тепловой энергии равновесных носителей заряда. В этом случае можно считать, что подвижность
u неравновесных и равновесных носителей одинакова, поскольку в основном она определяется распределением носителей заряда по энергиям.
Тогда фотопроводимость дается выражением:
eunn eupp, (14.4)
145
1
/te
Ф
0 t
IФ
0 t
Рис. 14.4
получило название токовой чувствительности SI IФ/Ф.
Другими важными взаимосвязанными параметрами фотоматериала является квантовый выход внутреннего фотоэффекта
1, определяемый числом неравновесных носителей (электрон-
но-дырочных пар), которые создаются каждым поглощенным
фотоном и скорость генерации G, которая представляет собой
число носителей, создаваемых светом в единице объема за секунду. Фототок пропорционален Ф (рис. 14.3.в) и напряженности поля (или напряжению). При больших световых потоках IФ
стремится к насыщению, так как время жизни электронов может уменьшаться, например, из-за увеличения при освещении
концентрации носителей противоположного заряда.
Фотосопротивления не мгновенно откликаются на включения и выключения света, рис. 14.4. Подобная инерционность
может иметь различное происхождение (в частности, определяться захватом носителей на ловушки, центры, удерживающие некоторое время свободные электроны или дырки), она
обычно характеризуется постоянными времени нарастания и
спада фототока. Если фототок уменьшается по закону IФ
I
MAX
, то 1 соответствует времени, за которое фототок
где n и p – концентрации фотоэлектронов и
фото-дырок, e – заряд
электрона. Через фотосопротивление, включенное
по схеме рис. 14.3.а, протекает фототок:
IФ A V, (14.5)
где А – коэффициент,
определяемый геометрическими размерами фоточувствительного слоя.
Отношение IФ к потоку
излучения Ф, падающего
на фотосопротивление,
146
2
/
1
te
Рис. 14.5
E
a
e
К
d
V 0
Ф 0
а)
L1 d L2
E
a
eК eVФ
V 0 I 0 Ф 0
б)
eVФ
VФ
I
Ф
IФ
V
Ф
0 Ф
в)
E
C
E
F
E
d
E
V
T 0 К
уменьшается в е раз. Если рост тока происходит по закону
IФI
MAX
(
тотока. Постоянные времени 1 и 2 могут несколько отличаться, но имеют обычно один порядок (102 107 с).
), то 2 – постоянная времени нарастания фо-
Остановимся теперь
кратко на работе фотоэлемента с запирающим слоем и фотодиода. Оба прибора являются полупроводниковыми диодами, в которых на границе р- и n-
областей (т.е. в запирающем слое) происходит
разделение неравновесных носителей заряда,
созданных светом. В
темноте между p- и n-
областями диода существует контактная разность потенциалов К
(рис. 14.5.а), при этом в
состоянии термодинамического равновесия
положение уровня
Ферми EF во всей системе остается постоянным, а суммарный
ток основных и неосновных носителей заряда через переход равен
нулю. Контактное электрическое поле локализовано в области шириной d0.
147
Если на p-nпереход направить поток фотонов с энергией
большей, чем ширина запрещенной зоны, то в нем и около него
возникают пары электрон-дырка. Пары, генерируемые в области d, разделяются электрическим полем, при этом электроны
движутся в область с n-типом проводимости, а дырки – в область полупроводника р-типа (рис. 14.5.б). Кроме того, вследствие диффузии в переход попадают электроны, созданные
светом в слое L1 левее перехода и дырки из слоя L2.
Неосновные носители заряда, которые устремляются через
переход, создают обратный ток IФ. С другой стороны, разделение зарядов при отсутствии внешней цепи приводит к понижению потенциального барьера на величину eVФ, где VФ – фотоэ.д.с.
В результате через переход пойдет прямой ток I, который,
как показывает теория, определяется выражением:
I IН[exp(eV/kT) 1], (14.6)
где IН – ток насыщения в темноте, V – внешнее напряжение на
переходе. В состоянии равновесия встречные токи IФ и I равны,
поэтому
IФ IН[exp(eVФ/kT) 1]. (14.7)
Отсюда можно определить фото-э.д.с. VФ, которая возникает
в освещенном p-n–переходе, не включенном в электрическую
цепь (вентильный фотоэлемент)
VФ (kT/e)ln(1 + IФ/IН). (14.8)
Так как IФ Ф, то из 14.8 следует нелинейная зависимость
VФ («напряжение холостого хода») от Ф, рис. 14.5.в.
Если освещаемый диод включен в электрическую цепь и к
нему подведено внешнее напряжение V, то в цепи течет ток:
I IН(e
eV/kT
1) IФ. (14.9)
При коротком замыкании фотодиода (V 0) ток во внешней
цепи равен I IФ, т.е. обусловлен только потоком носителей,
созданных светом и разделяемых контактом перехода. Обычно
к фотодиоду прикладывается обратное смещение, причем достаточно большое, так что в этом случае ток будет равен:
148
Аморфный полупроводник
Металл
Рис.14.6
Рассмотренные фотоэлементы широко используются для
преобразования энергии солнечного света в электрическую
(солнечные батареи на основе p-n–переходов в кремнии).
Для записи оптических сигналов применяют фотодетекторы, имеющие, например, структуру металл – диэлектрик - полупроводник n-типа (МДП). Если к этой структуре приложить
напряжение V (минус на металле), то часть электронов выводится из приконтактной области полупроводника n-типа, что
приводит к появлению слоя положительного объемного заряда
толщиной d. Возникающие при освещении МДП-структуры
электроны отводятся в объем полупроводника, а дырки скапливаются у границы с диэлектриком. Число этих дырок (общий
положительный заряд) зависит от интенсивности света и времени его действия. Накопленный заряд, а, следовательно, и
информация, заданная светом, может долго сохраняться, а затем считываться, например, в результате сканирования электронным пучком по матрице фотодетекторов.
14.3 Физические основы ксерокопирования и лазерный
Основой ксерокопировальной машины является пластина,
состоящая из металлической подложки, покрытой тонким слоем аморфного полупроводника (например, смеси As, Se, Te),
см. рис 14.6.
I IН IФ. (14.10)
принтер
Процесс ксерокопирования
состоит из ряда последовательных операций:
1) Аморфный полупроводник
(почти диэлектрик) натирают
проволочными электродами,
обладающими потенциалом около 30 кВ, покрытие приобретает
большой электрический заряд.
2) Копируемый документ
149
освещается и проецируется на пластину. В результате светлые
части изображения делают полупроводник проводящим, и поверхностный заряд с освещенных участков стекает к внешнему
металлическому заземленному электроду.
3) На темных местах полупроводника заряды сохраняются.
Пластину посыпают мелким порошком (полимер и зачерненный кварц), затем его стряхивают, и он остается в конечном
итоге только на «темных» заряженных местах покрытия.
4) Лист бумаги прижимают к пластинке с помощью валиков.
5) Лист собирает частицы пыли (порошка) и его обрабатывают инфракрасным излучением.
6) Полимерные частицы сплавляются и въедаются в бумагу,
получается копия.
7) Для очистки пластины она полностью освещается светом
и разряжается, мелкий порошок стряхивается, пластина готова
к новому ксерокопированию.
В лазерном принтере лазерный луч, модулируемый акустооптическим модулятором, работающим в соответствии с выводимой из компьютера информацией, сканирует по пластине.
С освещенных участков аморфного слоя заряд уходит и далее
начинается серия операций, аналогичная рассмотренному ксерокопированию.
1. Опишите спектры поглощения света в кристаллах.
2. Каковы основные механизмы поглощения света в веществе?
3. Как объясняется явление внутреннего фотоэффекта?
4. С чем связана окраска кристаллов?
5. Что называется фотопроводимостью?
6. Объясните, с чем связано возникновение внутреннего фото-
эффекта в p-n–переходе и в МДП-структуре.
7. Какие принципы лежат в основе работы ксерокопировально-
го аппарата?
Вопросы для повторения
150
Лекция № 15
15.1 Люминесценция твёрдых тел
Люминесценция (в переводе с латинского – свет, облада-
ющий слабым действием), согласно определению академика
С.И. Вавилова, представляет собой свечение, избыточное над
тепловым излучением тела, если это избыточное излучение
продолжается после прекращения возбуждения в течение
времени, превышающего период световой волны (tc 10
14
с).
Первая часть этого определения отделяет люминесценцию от
теплового равновесного излучения тела и позволяет отнести ее
к неравновесным процессам. Вторая часть выделяет люминес-
ценцию среди других видов неравновесного излучения, таких
как отражение и рассеяние света, тормозное излучение и т.д.,
которые практически безынерционны.
Твердые и жидкие вещества, способные люминесцировать
под действием различного рода возбуждений, получили название
люминофоров. Неорганические люминофоры часто называют
фосфорами, а в случае, если они имеют кристаллическую структуру – кристаллофосфорами. В зависимости от вида возбужде-
ния люминофора различают: фотолюминесценцию, возникаю-
щую в результате поглощения света; катодо-, рентгено- и ра-
диолюминесценцию, возбуждаемую соответственно ускоренным
потоком электронов, рентгеновским излучением, и частицами, протонами, осколками ядерного деления; электролюминес-
ценцию, вызываемую электрическим полем; хеми- и биолюми-
несценцию, при которых излучение света сопровождает химиче-
скую реакцию.
На рис. 14.1 приводилась схема электронных переходов,
происходящих при поглощении энергии в полупроводниках и
диэлектриках. Практически все обратные переходы, при которых энергия электронов уменьшается, могут сопровождаться
излучением в той или иной спектральной области. Используя
полупроводники и диэлектрики с различной шириной запрещенной зоны, и различными точечными дефектами, можно
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]