Полупроводниковые фотоприемные устройства. Фоторезисторы Введение

Полупроводниковые фотоприемные устройства предназначены для преобразования светового излучения в электрические сигналы. Это прежде всего такие приборы как фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и т.п. Фотоэлектрические явления, на основе которых строятся фотоприемники, делятся на три вида:

- изменение электропроводности вещества при его освещении – внутренний фотоэффект,

- возникновение ЭДС на границе двух материалов под действием света – фотоэффект в запирающем слое,

- испускание веществом электронов под действием света – внешний фотоэффект.

Внутренний фотоэффект.

При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотона. Поэтому процесс образования свободных носителей заряда будет происходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света полупроводником.

Собственная фотопроводимость в полупроводниках наблюдается при межзонных переходах (переход 1, рис.1). Для прямозонных плупроводников (у которых минимум энергии в зоне проводимости и максимум энергии в валентной зоне соответствуют одному и тому же волновому вектору электрона) энергия фотона hν должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, т.е.

(1)

В случае непрямых переходов, когда сохранение квазиимпульса обеспечивается за счет излучения фотона с энергией Ep, длинноволновый край спектра фотопроводимости будет лежать при

(2)

Для сильно легированного полупроводника n-типа, когда уровень Ферми расположен выше дна зоны проводимости на величину ξn, длинноволновая граница спектра фототока будет соответствовать

(3)

В сильно легированном полупроводнике p-типа уровень Ферми лежит на величину ξp ниже края валентной зоны, поэтому

(4)

Рис. 1. Схема возможных оптических переходов, обуславливающих фотопроводимость

Таким образом, собственная полоса поглощения всегда имеет отчетливо выраженную длинноволновую границу – край собственного поглощения. В литературе иногда его называют также краем фундаментального поглощения. В принципе собственная полоса поглощения может иметь и коротковолновую границу. Однако у многих полупроводников зона проводимости перекрывается вышележащими разрешенными зонами, образуя сплошную зону. Поэтому спектральное распределение фоточувствительности в зависимости от энергии фотонов или длины волны света должно простираться далеко в коротковолновую область. Но с увеличением энергии фотонов увеличивается коэффициент собственного поглощения, а следовательно, будет иметь место и увеличение фотопроводимости. И если квантовая эффективность остается постоянной, то при больших энергиях область поглощения и, следовательно, область генерации фотоносителей располагается вблизи поверхности полупроводника. В приповерхностной области полупроводника время жизни носителей заряда меньше, чем в объеме образца. Изменение времени жизни неравновесных носителей заряда приведет к уменьшению фотопроводимости в области коротких длин волн. Подробнее данный процесс будет рассмотрен ниже.

Примесная фотопроводимость в полупроводнике обусловлена наличием в запрещенной зоне локальных уровней, которые при оптическом поглощении могут обеспечить переходы электронов между уровнями примеси и энергетическими зонами (см. переходы 2 и 3 на рис.1). Поскольку энергия ионизации примеси Enp меньше ширины запрещенной зоны Eg , то спектр примесного фототока расположен в длинноволновой области по отношению к спектру собственной фотопроводимости. В качестве примера на рис.2 приведена зависимость коэффициента поглощения условного полупроводника от длины волны вблизи края собственного поглощения для образцов с различной степенью чистоты (т.е. различной концентрацией примеси). При этом, кривая 1 соответствует наиболее чистому образцу.

При экситонном поглощении света имеет место создание связанной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Экситонное поглощнние напрямую не ведет к возникновению свободных носителей заряда. Однако в реальных кристаллических структурах экситоны могут диссоцииравать (не путать с аннигиляцией) при взаимодействии с фононами, примесными центрами и дефектами решетки. Таким образом, образование экситонов в конечном итоге ведет к возникновению свободных носителей заряда, а следовательно, фототока. Экситонное поглощение, характеризующееся узкими полосами поглощения, определяет и узкие полосы фототока. При этом спектр фототока в области экситонного поглощения будет зависить как от состояния поверхности, так и от соотношения диффузионной длины экситонов Lэкс или

Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения α от длины волны вблизи края собственного поглощения для образцов с различной степенью чистоты.

Кривая 1 соответствует наиболее чистому образцу.

амбиполярной диффузионной длины L . Так, например, при обедненной поверхности, когда время жизни неосновных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника τs будет меньше времени жизни τ , характерного для его объема, максимумы полос экситонного поглощения будут соответствовать минимумам на кривой фототока, если Lэкс<L, максимумам, если Lэкс>L . И напротив, если τs>τ , то следует ожидать противоположных соотношений между положением максимумов полос экситонного поглощения и фототока в зависимости от соотношения Lэкс и L.

На частотах, недостаточно высоких, чтобы вызвать межзонные переходы или образование экситонов, поглощение обусловлено возбуждением колебаний решетки или переходами между состояниями внутри разрешенной зоны. Понятно, что в полностью заполненной зоне такие переходы невозможны. Для зоны проводимости при отсутствии вырождения интенсивность поглощения пропорциональна числу свободных электронов, а в случае валентной зоны существует некоторое дополнительное поглощение, пропорциональное числу свободных дырок.

Поглощение света свободными носителями заряда и колебаниями решетки непосредственно не могут привести к изменению концентрации носителей заряда. Однако возрастание концентрации носителей заряда в этих случаях может происходить в результате вторичных эффектов, когда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергию свободных носителей заряда, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.

Фотопроводимость. Фоторезистивный эффект.

Добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными оптической генерацией, носит название фотопроводимости. Изменение электрического сопротивления полупроводника под действием излучения называют фоторезистивным эффектом.

Избыточные электроны Δn и дырки Δp , созданные оптической генерацией, могут иметь энергии, значительно большие, чем средняя энергия равновесных носителей заряда. Однако в результате взаимодействия с фононами и дефектами кристаллической решетки энергия неравновесных носителей заряда за время около 10^-10-10^-12 с приобретает такое распределение по энергиям и квазиимпульсам, как у равновесных носителей. Поэтому подвижность неравновесных носителей заряда не будет отличаться от подвижности равновесных носителей. Следовательно, полная проводимость полупроводника определяется равновесными носителями заряда n₀, p₀ и фотоносителями Δn, Δp и равна:

(5)

Так как темновая проводимость , то фотопроводимость полупроводника, обусловленная непосредственным действием излучения, есть

(6)

Естественно, что концентрация избыточных носителей заряда Δn, Δp и зависят от интенсивности и длины волны света. Пусть на слой вещества толщиной dx , имеющего коэффициент поглощения α , падает свет интенсивности I . Тогда количество световой энергии, поглощаемой в единицу времени в единице объема этого вещества

(7)

Следовательно, при поглощении квантов света энергии hν в единице объема полупроводника в единицу времени для области собственного поглощения образуются избыточные электроны и дырки в количестве

(8)

Здесь коэффициент пропорциональности β , который обычно называют квантовым выходом фотоионизации, определяет число пар носителей заряда (или число носителей заряда при примесной фотопроводимости), образуемых одним поглощенным фотоном, если интенсивность света измерять числом квантов в секунду на единицу поверхности.

Однако сразу после начала освещения фотопроводимость полупроводника не достигает максимального значения, ибо по мере увеличения концентрации неравновесных носителей заряда нарастает и процесс рекомбинации. Поскольку скорость генерации неравновесных носителей остается постоянной при неизменной интенсивности света, то через какой-то промежуток времени интенсивность рекомбинации достигнет уровня генерации и установится стационарное состояние, характеризующееся постоянным значением концентрации фотоносителей заряда Δnст и Δpст (рис.3).

Стационарные концентрации избыточных носителей заряда можно определить, если воспользоваться уравнением неприрывности, в котором генерационный член записан в виде ( 8 ) в предположении однородной генерации. Поэтому

(9)

(10)

Рис. 3. Изменение концентрации носителей заряда, возбужденных светом.

а стационарная фотопроводимость равна:

(11)

Отношение фотопроводимости к интенсивности света определяет удельную фоточувствительность полупроводника

(12)

Если один из членов в скобках соотношения ( 11 ) значительно больше другого (за счет разницы в значениях подвижности или времени жизни электронов и дырок), то фотопроводимость определяется носителями заряда одного знака и ее называют монополярной. В этом случае

(13)

Выражение для стационарного значения плотности фототока будет иметь вид:

(14)

Но , а , и если через обозначить размер полупроводника в направлении поля, то время дрейфа и . С учетом этого ( 14 ) запишется как

(15)

Если величины, входящие в ( 15 ), известны, то, измеряя , можно определить квантовый выход β .