Лебедев А.И. Физика полупроводниковых приборов

являться электронные переходы из глубоко лежащих валентных зон или даже с остовных оболочек составляющих полупроводник

носителей часто оказывается настолько высокой, что при своем движении в образце эти носители начинают сами ионизовать полупроводник, вызывая появление целого каскада вторичных

даемых одним квантом электромагнитного излучения, в случае квантов высокой энергии может заметно превышать единицу. В этом случае квантовый выход может быть оценен с помощью эмпирической формулы 77 « TIOJ/3E9 [108]. Механизмы поглощения излучения в рентгеновской области спектра будут более

подробно рассмотрены нами в п. 7.1.7.

В области спектра hw < Eg (см. рис. 7 . la) энергия кванта меньше энергетического зазора между краем валентной зоны и зоной проводимости полупроводника и поэтому ее недостаточно, чтобы создать электронно-дырочную пару. Электронные переходы в этой области спектра возможны либо между энергетическим уровнем в запрещенной зоне и одной из разрешен-

ных зон (примесное поглощение), либо внутри одной из зон

{поглощение на свободных носителях). Примесное поглощение, при котором в одной из разрешенных зон появляются неравновесные носители, также приводит к увеличению проводимости образца (фотопроводимости); в данном случае, поскольку неравновесные носители возникают в результате примесного поглощения, фотопроводимость называют примесной фотопроводимостью.

Поглощение света на свободных носителях, при котором энергия квантов идет на разогрев носителей в разрешенных зонах, также может проявляться в изменении проводимости образца, поскольку подвижность носителей зависит от их энергии. Так как концентрация носителей заряда в полупроводнике при этом остается неизменной, а изменение проводимости целиком обусловлено изменением подвижности, этот механизм фотопроводимости часто называют р-фото проводимостью [263]. Хотя величина этого эффекта невелика, он может быть использован для регистрации СВЧ излучения и излучения в дальней инфракрасной области спектра, поскольку он является единственным нетепловым (а, следовательно, быстрым по времени отклика) способом регистрации излучения. Характерное время отклика

384 Гл. 7. Опгпоэлектронные приборы

^-фотопроводимости равно времени релаксации энергии в полупроводнике,

Поглощение в полосе остаточных лучей (на оптических фононах) и многофононное поглощение (см. рис. 7.1а) происходит с прямой передачей энергии электромагнитной волны колебаниям решетки и не сопровождается ни возбуждением неравновесных носителей, ни разогревом носителей. Поэтому эти механизмы поглощения могут приводить только к болометрическому эффекту (см. выше).

7.1.2. Фотоприемники, основанные на явлении фотопро-

зарегистрировано с помощью схемы, показанной на рис. 7.2.

Найдем условия получения максимального сигнала фотоотклика в схеме, приведенной на рис. 7.2. Падение напряжения на фоторезисторе, очевидно, равно

а Ян — сопротивление нагрузки. Если при освещении образца его проводимость возрастает на величину До*, то отношение изменения напряжения на образце к вызвавшему его малому изменению проводимости составит

Аа = ( 1 + ^ Д я ) 2 ' (7.3)

Условие оптимального согласования фотосопротивления с нагрузкой, при котором отношение AU/Aa максимально, можно найти, приравняв нулю производную выражения (7.3) по R„. Нетрудно убедиться, что

где L n = \ J D n r n — диффузионная длина электронов. Подставляя это решение в (7.5) и учитывая (7.4) и (7.6), находим:

Л = / 0 ( 1 - Д ) ? о г В | д = е - * - в ^

—ах

6п(х) « Iq(\ — R) rjarn е

Видно, что характерная длина, на которой концентрация неравновесных носителей изменяется в е раз, составляет L n в случае

(а) и 1/а в случае (б).

При собственном поглощении, когда свет возбуждает носители обоих знаков, для расчета пространственного распределения неравновесных носителей необходимо совместно решить уравне-

фотоприемника надо стремиться уменьшать его объем (используя при этом фокусировку падающего излучения), а сам полупроводник должен характеризоваться большим временем жизни неравновесных носителей и проводимостью, близкой к собственной.

Наряду с вольт-ваттовой чувствительностью иногда вводится понятие чувствительности по току, которая определяется как отношение вольт-ваттовой чувствительности к сопротивлению образца. Путем несложных преобразований формулу (7.16) можно переписать в виде

через образец.

к положительному контакту и через характерное время tnpon уходят из образца. Поскольку после их ухода электронейтральность образца нарушается, то для ее поддержания с другого контакта в образец входят новые электроны, которые за то же время пролетают по образцу и уходят в контакт. Такое движение электронов продолжается до тех пор, пока дырки не будут выброшены с уровней прилипания и не рекомбинируют с электронами. Таким

значительно больше единицы. Отношение г/Ьп р о л , характеризующее величину этого эффекта, называется коэффициентом

усиления фототока и в рассмотренном нами примере может

достигать значений порядка 105 [263]. Коэффициент усиления фототока не следует путать с квантовым выходом фотоионизации г}, который в рассмотренном случае остается близким к единице. Из формулы (7.17) следует, что усиление фототока дополнительно увеличивает вольт-ваттовую чувствительность фотоприемника.

Быстродействие фотоприемников. Быстродействие фотоприемников определяется тем, насколько быстро электрический сигнал на выходе приемника может следовать за изменением интенсивности падающего излучения. Его обычно характеризуют постоянной времени, с которой сигнал на выходе приемника спадает после выключения освещения. Поскольку изменение концентрации неравновесных носителей в полупроводнике при этом определяется процессами рекомбинации, то время релаксации сигнала фотопроводимости часто отождествляют с временем жизни неравновесных носителей заряда.

На самом деле вопрос о кинетике затухания сигнала фотопроводимости не так прост. Равенство времени релаксации фотопроводимости и времени жизни выполняется только тогда, когда генерация и рекомбинация неравновесных носителей идет по одному и тому же каналу. Примерами могут служить примесный полупроводник, в котором возбужденный светом электрон через некоторое время захватывается на тот же примесный центр, или Hgi-sCdxTe, в котором неравновесные электроны и дырки, возбуждаемые при межзонных переходах, рекомбинируют друг с другом путем Оже-рекомбинации (с передачей энергии третьей частице).

В полупроводниках, содержащих глубокие уровни в запрещенной зоне, часто наблюдается явление прилипания носителей, о котором мы уже говорили в предыдущем разделе. В этом случае для описания фотопроводимости необходимо ввести два характерных времени — время жизни фотопроводимос- ми Тфп> которое равно среднему времени, которое возбужденный носитель проводит в разрешенной зоне и в течение которого он участвует в проводимости, и время релаксации фотопроводимости ТреЛ, которое равно времени восстановления равновесного заполнения уровней в запрещенной зоне. Существенное различие этих времен связано с тем, что перед рекомбинацией возбужденный носитель много времени проводит на уровнях прилипания, выбрасываясь с которых и снова захватываясь на которые, он лишь в течение очень небольшой доли времени своего существования участвует в проводимости образца. Описанная особенность явления фотопроводимости в полупроводниках с уровнями прилипания позволяет заключить, что найденные из измерений фотопроводимости значения Тфп лишь в редких случаях могут интерпретироваться как время жизни неравновесных носителей.