2.9. Исследование процессов в полупроводниковом фоторезисторе

Цель работы: изучение основных физических закономерностей, определяющих свойства фотоприемников. Исследование вольт-амперных, спектральных и инерционных характеристик фоторезисторов.

Фотопроводимость и поглощение света полупроводниками

Источником энергии, способствующим образованию свободных носителей заряда в полупроводниках, кроме теплового действия, могут быть и другие процессы: столкновение с быстрыми электронами, α-частицами, ионизация под действием света (фоторезистивныйэффект) или других излучений (рентгеновских, γ-лучей), ионизация под действием сильного поля и др. Так как свободные носители в этом случае возникают за счет непосредственного поглощения энергии, то тепловая энергия решетки практически остается неизменной. При этом нарушается тепловое равновесие между решеткой и свободными носителями заряда. Электроны или дырки проводимости (свободные носители заряда), не находящиеся в термодинамическом равновесии (как по концентрации, так и по энергетическому распределению), называются неравновесными носителями заряда.

Так как число неравновесных носителей заряда обычно невелико и мала запасенная ими избыточная энергия по сравнению с энергией решетки, то наложение и снятие внешнего возбуждения не влияет на концентрацию равновесных носителей заряда и полная концентрация носителей заряда nилиpравна простой сумме концентраций равновесных (n₀,p₀) инеравновесных(∆n, ∆p) носителей заряда:

(2.95)

(2.96)

Возникновение неравновесных носителей заряда приводит к изменению проводимости полупроводника:

(2.97)

где σ_Т –темновая проводимость;

σ – неравновесная проводимость (фотопроводимость):

(2.98)

Изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием электромагнитного излучения и не связанное с его нагреванием, называется фоторезистивным эффектом, или внутренним фотоэлектрическим эффектом.

Энергия неравновесных носителей заряда в результате взаимодействия с фононами и дефектами решетки снижается до энергии равновесных носителей, поэтому можно считать, что генерация неравновесных носителей заряда в полупроводниках приводит лишь к изменению концентрациисвободных носителей, не изменяя их подвижности. Однако при поглощении света свободными носителями заряда может быть и изменение ихподвижностив результате следующих причин:

1) переброса дырок из одной зоны в другую;

2) переброса электронов из одной зоны в другую;

3) разогрева электронов вследствие рекомбинационного излучениия.

При возникновении неравновесных ноителей заряда изменяется полная концентрация носителей, а следовательно, и положение уровня Ферми.

(2.99)

(2.100)

Энергитические уровни F_n^*иF_p^*называют квазиуровнями Ферми для электронов и дырок соответственно, т.е.F_n^*иF_p^*– химические потенциалы электронного газа в зоне проводимости и дырочного газа в валентной зоне при отсутствии термодинамического равновесия. В отсутствие термодинамического равновесия квазиуровни Ферми играют ту же роль, что и уровни Ферми в условиях равновесия, при этомF_n^*≠F_p^*. В условиях равновесия приn=n₀иp=p₀ квазиуровни Ферми равны уровню ФермиE_F.

При поглощении квантов света возможны три типа переходов, приводящих к появлению фотопроводимости (рис. 2.41):

1) переход 1 соответствует собственному поглощению света (основными атомами кристалла), что приводит к образованию свободного электрона и свободной дырки на каждый поглощенный фотон (собственная фотопроводимость, n=p);

2) переход 4 соответствует поглощению света локальными несовершенствами в кристалле (донорами), при этом на каждый поглощенный фотон образуется свободный электрон и дырка, связанная с соответствующим центром;

3) переход 5 соответствует случаю, когда каждый поглощенный фотон возбуждает на незанятом локальном уровне (акцептор) электрон из валентной зоны, в результате чего образуется свободная дырка и связанный электрон.

При фотоионизации локальных состояний типа примесных атомов (переходы 4 и 5 на рис. 2.41) возрастает концентрация носителей заряда только одного типа (примесная фотопроводимость). При этом возможны два случая: неравновесные носители заряда являются основными или неосновными.

Рис. 2.41. Возможные переходы электронов в полупроводнике при поглощении квантов света: 1-переход из в-зоны в с-зону; 2,3-переходы внутри зон; 4,5-переходы с примесных центров; 6-переход электронов из в-зоны в донорный уровень примеси; 7-переход электрона из в-зоны на экситонный уровень

а) б)

Рис. 2.42. Схема возможных путей прилипания и захвата (а), рекомбинация носителей заряда (б)

Если неравновесные носители заряда являются неосновными, а их концентрация превосходит темновую концентрацию основных носителей заряда, то меняется тип проводимости полупроводника при его освещении.

Для возбуждения собственных атомов полупроводника (переход 1 на рис. 2.41) фотон должен обладать энергией и hυ₁ ≥E_g, для возбуждения примесных атомов (переходы 4 и 5 на рис.1)hυ₄ ≥ ∆E_д,hυ₅ ≥ ∆E_а(E_g, ∆E_д, ∆E_а– соответственно энергия активации собственных, донорных, акцепторных атомов;υ₁,υ₄,υ₅– соответствующие частоты поглощаемого света).

Максимальная длина волны (красная граница фотопроводимости), при которой свет является еще фотоэлектрически активным, т.е. создает свободные носители заряда, определяется соотношениями:

(2.101)

для фотопроводимости

(2.102)

Поглощение света может и не приводить непосредственно к появлению свободных носителей заряда в следующих случаях:

1) экситонное поглощение (рис. 2.41, переход 7) приводит к созданию связанной пары электрон-дырка, являющейся электрически нейтральным образованием. Однако, если экситон (связанная пара электрон-дырка) при движении в решетке диссоциирует в результате поглощения дополнительной энергии, то каждый экситон приводит к появлению двух свободных носителей заряда: электрона и дырки. Если же экситон рекомбинирует, то экситонное поглощение не приводит к увеличению проводимости;

2) поглощение света свободными носителями заряда (рис. 2.41, переходы 2 и 3) не приводит к изменению их концентрации, но при определенных условиях может изменяться их подвижность и, следовательно, проводимость;

3) колебания решетки могут привести к возрастанию концентрации носителей заряда лишь в результате вторичного эффекта – поглощение света увеличивает концентрацию фононов, которые отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.

Энергетическая схема, приведенная на рис. 2.41, и соотношения (2.101), (2.102) не учитывают свойств, необходимых для полного описания электронных переходов в полупроводниках при поглощении квантов света: строения энергетических зон, квантомеханических правил отбора не только по энергиям (как и в случае тепловой ионизации), но и правилам отбора по импульсам.