2.2 Наблюдение фотостимулированных эффектов в полупроводниках
2.2.1 Фотостимулированные преобразования в элементарных полупроводниках
В работе [4] исследован шум 1/f в n-Si в условиях освещения видимым излучением. Показано, что при комнатной температуре поверхностный шум преобладает над объемным шумом. Традиционно поверхностный шум в кремниевых приборах связывают с захватом-выбросом носителей заряда на континентально распределенные по энергии поверхностные состояния.
На рисунке 2.1 представлены зависимости относительной спектральной плотности шума от относительной интенсивности подсветки для фиксированных частот анализа.
Рисунок 2.1 - Зависимость относительной спектральной плотности шума от интенсивности подсветки для различных частот анализа. Частота, Гц: 1-40, 2 – 80, 3 – 320, 4 – 1280. Сплошные горизонтальные прямые – уровень шума. Интенсивность J0 соответсвует освещению образца точечной лампой накаливания мощностью 100 Вт
Из данного рисунка видно, что заметное влияние на шум оказывает даже световой поток лампы, ослабленый в 108-109 раз. По мере увеличения интенсивности подсветки шум на данной частоте возрастает, достигает максимума и затем монотонно уменьшается.
На рисунке 2.2 показаны зависимости спектральной плотности шума от интенсивности освещения, рассчитанные в соответствии с предложенной моделью, по следующему выражению:
(2.1)
Рисунок 2.2 - Расчетные зависимости относительной спектральной плотности шума на данной частоте от уровня освещенности
В качестве модели предполагается возникновение шума 1/f за счет флуктуаций заполнения уровней хвоста плотности состояний.
2.2.2 Фотостимулированные преобразования в полупроводниках aiiibv
Немонотонная зависимость шума 1/f от интенсивности подсветки в GaAs.
Экспериментально показано, что на каждой частоте анализа должна наблюдаться немонотонная зависимость шума от интенсивности подсветки. При низких уровнях освещенности (малая концентрация дырок) шум должен сначала расти, а затем по мере увеличения интенсивности подсветки достигать максимума и в дальнейшем монотонно уменьшаться, становясь меньше темнового. При этом чем ниже частота анализа, тем при меньших интенсивностях света достигаются максимум шума и его последующее уменьшение.
Каждый уровень, принадлежащий хвосту плотностей состояний, в отсутствие освещения характеризуется своей постоянной времени. Таким образом, за шум 1/f на выделенной частоте f отвечают уровни, находящиеся на определенной глубине Е от дня зоны проводимости. Все эти уровни лежат ниже уровня Ферми Еf. Флуктуации заполнения уровней, лежащих выше Еf, ответственны за уровень шума на более высоких частотах.
Появляющиеся в результате освещения дырки захватываются на уровни хвостов состояний с вероятностью, не зависящей от энергии Е. Однако в условиях стационарного освещения степень заполнения уровней сильно зависит от Е, поскольку время захвата электронов на освободившиеся места экспоненциально зависит от энергии. При слабой освещенности, характеризующейся низкой скоростью генерации дырок, уровни, лежащие в глубине запрещенной зоны могут быть полностью опустошены, в то время как степень заселенности высоколежащих уровней практически не изменится.
На рисунке 2.3 для четырех различных частот анализа представлены рассчитанные зависимости шума на фиксированной частоте от интенсивности подсветки. Видно, что чем выше частота, тем большая интенсивность подсветки необходима для достижения максимального уровня шума и его последующего уменьшения. На рисунке 2.3 также представлены экспериментальные зависимости для частот анализа 80, 960,1280 и 5120 Гц.
Рисунок 2.3 - Зависимость относительной спектральной плотности шума от интенсивности подсветки для четырех частот анализа. а) Теоретический расчет. Для J ωτ00= ωτ01= 4*10-13, для 2 – 4 ωτ00/ ωτ01 : 2 – 10, 3 – 25, 4 – 50; б) Экспериментальные кривые (300К). Частота анализа для I f1 =80 Гц, для 2 – 4 f/f1 : 2 -12, 3 – 16, 4 – 64. Штриховые прямые – уровень шума в темноте.
Как видно из рисунка 2.3, расчеты, проведенные по данной модели, в достаточной мере соответствуют экспериментально полученным данным.