ФПП лаб

весных носителей заряда. Однако в результате взаимодействия с фононами и дефектами слоя полупроводника энергия неравновесных носителей заряда становится равной средней тепловой энергии равновесных носителей заряда. Этот процесс происходит за время порядка 10–10 ...10–12 с, которое равно времени релаксации носителей заряда по энергии τ. Как правило, τn и τ p составляют 10–2 ...10–7 с и во много раз

превышают время релаксации τ. Поскольку подвижность носителей заряда μ = eτm , подвижности неравновесных носителей не отличают-

ся от подвижности равновесных носителей заряда [см. (1)]. Удельная фотопроводимость на глубине образца x:

где b и l – ширина и длина образца соответственно.

Интегрируя (10) с учетом (8), получаем полную фотопроводимость всего образца

Во время эксперимента значение u поддерживается постоянным.

Спектральная характеристика фоторезистора

Спектральной характеристикой называется зависимость фототока IФ и фотопроводимости от длины световой волны при постоянной интенсивности падающего на полупроводник излучения (IФ = f (λ)ε=const ) . Для увеличения относительного приращения фотопроводимости

21

С уменьшением λ увеличивается коэффициент поглощения, уменьшается эффективная толщина слоя, в котором поглощается световая энергия. Увеличение концентрации носителей заряда в приповерхностном слое слабо влияет на фотопроводимость, поскольку резко возрастает скорость поверхностной рекомбинации и уменьшается время жизни неравновесных носителей заряда. Это приводит к уменьшению фототока и к ухудшению спектральной характеристики фоторезистора. Кроме этого, при λ < λmax фотопроводимость снижается с уменьшением длины волны, потому что уменьшается количество фотонов, поглощаемых в образце при постоянном световом потоке, а квантовый выход не изменяется.

Современная технология выращивания высококачественных тонкопленочных структур на основе тройных соединений CdHgTe (КРТ) позволяет формировать слои на границе раздела пленка– подложка и на поверхности пленки из более широкозонного материала (из сернистого кадмия и арсенида галлия), прозрачного в области максимальной чувствительности пленки. Такие слои уменьшают концентрацию поверхностных дефектов пленки, создают электрические поля, препятствующие движению носителей заряда из объема пленки к границам раздела. Это приводит к уменьшению влияния поверхностной рекомбинации на время жизни неравновесных носителей заряда и к улучшению спектральной характеристики фоторезисторов и фотоприемных устройств.

В работе исследуется фоторезистор на основе сернистого кадмия (CdS) n-типа проводимости. Поскольку λ0 смещается в область более длинных волн (рис. 6), для оценки ширины запрещенной зоны следует пользоваться формулой E0 = hcλmax . Табличное значение ширины

запрещенной зоны для CdS составляет 2,4 эВ.

Описание экспериментальной установки

Спектральная характеристика снимается по схеме рис. 7.

Свет от источника падает на входную щель монохроматора, ширина которой должна быть постоянной в течение всего эксперимента. Фоторезистор установлен у выходной щели монохроматора. Длина волны света, падающего на фоторезистор, определяется по графику

23

зависимости длины волны от угла поворота барабана монохроматора (этот график прилагается к установке).

Фоторезистор

A

ε

Рис. 7

Так как различным длинам волн λ соответствует различная мощность излучения лампы и, следовательно, различная интенсивность света I0, падающего на фоторезистор, то для построения спектральной характеристики значения величин фототока, снимаемых по показаниям микроамперметра, следует пересчитать, приводя их к постоянной интенсивности падающего на фоторезистор света. Пересчет проводится по формуле

где IФ′ – измеренное значение фототока; ελ – спектральная плотность светового потока для данной длины волны λ.

Значения εmax и ελ определяются по графику зависимости ελ = f (λ) , который также прилагается к работе.

Задание к работе

1. Измерить спектральную характеристику фоторезистора. Источником света служит лампа с вольфрамовой нитью накаливания. Построить график зависимости IФ = f (λ)ε=const .

2.Оценить ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен фоторезистор.

3.Сравнить полученное значение ширины запрещенной зоны с табличным.

24

Контрольные вопросы

1.Какое явление называется внутренним фотоэффектом?

2.Объясните зависимость фотопроводимости от интенсивности и длины волны света.

3.Объясните механизм фотопроводимости в собственном и примесном полупроводниках.

4.В чем состоит принцип действия фоторезистора?

5.Какая зависимость называется спектральной характеристикой фоторезистора? Какой она имеет вид?

6.Объясните спектральную зависимость фототока в собственной и примесной области поглощения.

7.Почему на спектральной характеристике наблюдается уменьшение фотопроводимости при уменьшении длины световой волны?

8.Как влияют подвижность и время жизни носителей заряда на фотопроводимость?

9.Как оценить ширину запрещенной зоны полупроводника, из которого изготовлен фоторезистор?

ЛИТЕРАТУРА

1.Епифанов Г.И. Физика твердого тела. – М.: Высш. шк., 1977, § 60.

2.Епифанов Г.И. Физические основы микроэлектроники. – М.: Сов. ра-

дио, 1971. – С. 219–224.

3. Бушманов В.Н., Хромов Ю.А. Физика твердого тела. – М.: Высш. шк.,

1991. – С. 149–152.

4. Шалимова К.В. Физика полупроводников – М.: Энергия, 1976. – Гл. 7, 11, 13.

25

РАБОТА № 44

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Цель работы

Исследовать вольт-амперную характеристику плоскостного p − n -пе- рехода и ее зависимость от температуры.

Вывод уравнения вольт-амперной характеристики плоскостного p − n -перехода

Переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n -типа, а другая p -типа, называется элек-

тронно-дырочным ( n − p или p − n ) переходом. Переход, линейные

размеры которого, определяющие его рабочую площадь, значительно больше его толщины, называется плоскостным.

Рассмотрим процесс установления термодинамического равновесия в несимметричном p − n -переходе с резким изменением типа про-

водимости на границе.

Обозначим концентрацию электронов в электронной области как nn , дырок в дырочной области как pp (основные носители заряда),

электронов в дырочной области np , дырок в электронной области pn

(неосновные носители), толщину переходной области d , площадь p − n -перехода S . В невырожденных, но достаточно легированных

где Nd и Na – концентрации доноров и акцепторов соответственно.

26

Так как nn >> np , то возникают градиент концентрации и диффузия электронов в p -область, создающая диффузионный ток,

где Dn – коэффициент диффузии электронов. Ось x направлена в сто-

рону убывания концентрации электронов.

Аналогично диффузионный ток, обусловленный диффузией дырок в n -область, равен

где Dp – коэффициент диффузии дырок.

В результате диффузии электронов и дырок в n -области у границы перехода на расстоянии dn остаются нескомпенсированные ионизированные доноры и неравновесные дырки (рис. 1). Поэтому n -область у

Vvk

d

Рис. 1

27

Ширина p − n -перехода равна d = d p + dn . При этом в области p − n -перехода возникает двойной электрический слой (потенциаль-

ный барьер) и электрическое поле этих зарядов препятствует диффузионному переходу основных носителей. Это поле приводит к появлению дрейфового тока неосновных носителей из p -области в

n-область:

Вустановившемся динамическом равновесии, когда уровни Ферми

вn - и p -областях выравниваются (рис. 2), общий ток через p − n -пе-

реход равен нулю:

Обратим внимание на то, что потенциал у границы n -области повышается, а потенциал у границы p -области снижается. Однако в об-

ласти, где потенциал отрицательный ( −Vk ), энергия электронов повышается на величину (−e)(−Vk ) = | eVk | (рис. 3).

n np

p

В состоянии термодинамического равновесия из (1) и (3) с учетом равенства (5) следует

Разделяя переменные, получаем

dn = - vn dx . n Dn

Интегрируем полученное выражение:

Потенцируя, имеем следующее выражение:

Заменяя vn = mn E , получаем

29

Из (8) и (10′) следует

Это выражение называется соотношением Эйнштейна для электронов. Аналогично получаем соотношение Эйнштейна для коэффициента диффузии дырок:

Если к p − n -переходу приложить внешнее напряжение V , то величина потенциального барьера для основных носителей заряда изменится. Для неосновных носителей заряда ( np и pn ) барьера нет, по-

этому величины токов этих носителей при приложении напряжения не изменяются и равны величинам токов равновесных неосновных носителей, определяемых выражениями (3), (4), (5).

При приложении к p − n -переходу внешней разности потенциалов

в прямом (пропускном) направлении (рис. 4) происходит инжекция электронов в p -область, дырок в n -область, а высота потенциального

где np – равновесная концентрация электронов в p -области.

30