Міністерство освіти і науки України

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

Савицький А.В., Бурачек В.Р.

ФОТОПРОВІДНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКІВ

Навчальний посібник

Чернівці

“Рута”

2002

ББК 22.379.2я73

С 133

УДК 621.315.592+537.311.322:535 (075.8)

Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради

Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича

Науковий редактор: Савчук Андрій Йосипович, доктор фізико-математичних наук, професор кафедри фізичної електроніки і нетрадиційної енергетики ЧНУ

Науковий рецензент: Горлей Петро Миколайович, доктор фізико-математичних наук, професор, завідувач кафедри фізичної електроніки і нетрадиційної енергетики ЧНУ

Савицький Андрій Васильович, Бурачек Віктор Романович

Фотопровідність напівпровідників: Навчальний посібник – Чернівці: Рута, 2002. – 94 с.

ISBN

У посібнику коротко викладені основні уявлення про генерування нерівноважних носіїв заряду при освітленні напівпровідникового кристала. Розглянуті основні закономірності релаксації фотопровідності, вплив домішкових центрів захоплення фотозбуджених носіїв та способи визначення їх часу життя.

Для студентів та аспірантів фізичних та інженерно-технічних спеціальностей вузів, а також спеціалістів у галузі напівпровідникової електроніки.

УДК 621.315.592+537.311.322:535 (075.8)

ББК 22.379.2я73

ISBN ã А.В. Савицький, В.Р. Бурачек, 2002

ã Видавництво Чернівецького

національного університету “Рута”, 2002

ВСТУП

Напівпровідники відіграють важливу роль у розв’язанні проблеми безпосереднього перетворення сонячної енергії в електричну. Основу процесу перетворення енергії електромагнітного випромінювання в електричну становлять фотоелектричні ефекти, які базуються на явищі фотопровідності, зумовленому процесом генерації вільних носіїв заряду (електронів, дірок) при поглинанні фотонів. У найпростішому випадку власного напівпровідника світло збуджує валентні електрони основних (власних) атомів у зону провідності, де вони перебувають у вільному стані й можуть брати участь у процесі переносу заряду. Учасниками цього процесу є також дірки, які виникають у валентній зоні. У домішковому напівпровіднику n-типу можливе збудження електронів, а в напівпровіднику p-типу – переходи електронів з валентної зони на акцепторні рівні. Отже, у випадку поглинання світла власними атомами напівпровідника утворюються фотозбуджені носії заряду двох знаків, тоді як при домішковому поглинанні – лише одного знака.

Явище фотопровідності належить до фундаментальних фотоелектричних явищ, що сформувались у другій половині ХХ ст. і лежать в основі роботи широкого класу напівпровідникових приладів, які використовуються у різноманітних галузях науки і техніки (нетрадиційна енергетика, комп’ютерна техніка, біомедичні прилади для діагностики захворювань, відеотехніка тощо). Тому знання фізичних основ явища фотопровідності напівпровідників є професійною потребою не лише фахівців у галузі напівпровідникової фотоелектроніки, але й широкого кола спеціалістів, котрі працюють у різноманітних сферах людської діяльності та побуту (промислова економіка, енергетика, охорона здоров’я тощо), де використовуються напівпровідникові фотоприлади.

Навчальний посібник написаний на основі спеціального курсу “Взаємодія світла з речовиною напівпровідника”, який читається як обов’язковий студентам кафедри фізичної електроніки і нетрадиційної енергетики Чернівецького національного університету.

- 3 -

І. РІВНОВАЖНІ ТА НЕРІВНОВАЖНІ

НОСІЇ ЗАРЯДУ В НАПІВПРОВІДНИКАХ

1.1. Зонна структура енергетичного спектра носіїв заряду

Електрони у вільному просторі можуть мати будь-які значення енергії, що визначаються потенціалами наявного там електростатичного поля. У випадку входження електрона до складу ізольованого атома, як відомо з атомної фізики та квантової механіки, він може мати лише деякі дозволені значення енергії Е. Енергетичний спектр електронів набуває дискретного характеру (рис. 1.1, а). Переходи з одного енергетичного рівня на інший пов’язані з поглинанням або випромінюванням енергії. При наближенні атомів і утворенні впорядкованої кристалічної структури, всередині якої виникає періодичне електричне поле, відбувається розщеплення дискретних атомних енергетичних рівнів електронів і утворення енергетичних смуг або енергетичних зон (рис. 1.1, б). У цьому саме й полягає найхарактерніша різниця між енергетичним спектром кристала і спектром ізольованого атома.

Рис.1.1. Розташування енергетичних рівнів у ізольованому атомі (а)

та схематичне зображення утворення енергетичних зон у кристалі

з атомних енергетичних рівнів (б): d – віддаль між сусідніми атомами;

d₀ – рівноважна віддаль між сусідніми атомами в кристалі

Крім цього, кожний рівень при зближенні атомів дещо зміщується, оскільки тепер електрон взаємодіє не з одним атомом, а зі всіма атомами кристала. Зміщення та розширення атомних енергетичних рівнів при утворенні кристала наглядно показане на рис. 1.1, б.

- 4 -

Енергетичні зони відділені одна від одної областями енергії, в яких електрони не можуть перебувати. Ці області називають “забороненими зонами”. У відповідності з фундаментальним законом квантової механіки, відомим як принцип Паулі, на кожному енергетичному рівні в зоні можуть бути лише два електрони, що мають протилежно напрямлені власні моменти кількості руху, які називаються спінами. При абсолютному нулі температури всі електрони напівпровідника розташовуються на найнижчих енергетичних рівнях. При цій температурі повністю заповнені електронами енергетичні зони будуть чергуватися із забороненими зонами.

Внаслідок сильної взаємодії найближчих до атомного ядра електронів зі своїми ядрами енергетичні зони, що утворилися з внутрішніх атомних рівнів, завжди повністю заповнені електронами. Тому електрони таких зон не можуть брати участь в електропровідності. Лише зона, що утворилася з енергетичних рівнів валентних електронів ізольованих атомів, за певних умов може бути не повністю заповненою електронами.

В ізольованому атомі над енергетичним рівнем валентного електрона знаходяться рівні, на яких хоч і немає електронів, але вони можуть там з’явитись при збудженні атома. Для того, щоб перейти на такий рівень, валентному електронові необхідно подолати енергетичний бар’єр, що відповідає потенціалові збудження атома. Отже, в кристалі вище від енергетичної зони валентних електронів повинна знаходитись повністю вільна від електронів зона збуджених рівнів. У напівпровідниках найвищу енергетичну зону, яка при абсолютному нулі температури повністю заповнена електронами, називають валентною зоною. Над нею розташована заборонена зона, яка розділяє валентну зону і найближчу зону збуджених рівнів, яку називають зоною провідності. Структури енергетичних зон валентних електронів металів, напівпровідників та ізоляторів зображені на рис. 1.2.

На основі енергетичної структури спектру валентних електронів можна якісно описати різницю між металами, напівпровідниками та ізоляторами. У металів валентна зона заповнена не повністю або вона перекривається з найближчою зоною збуджених рівнів валентних

- 5 -

електронів (рис. 1.2, а). Це означає, що області заборонених значень енергій між ними немає. Тому метали завжди характеризуються доброю електропровідністю при будь-якій температурі.

а) б) в)

Рис. 1.2. Схема енергетичних зон валентних електронів металів,

напівпровідників та ізоляторів: 1 – валентна зона; 2 – зона провідності

У напівпровідників та ізоляторів зона провідності та валентна зона розділені забороненою зоною, ширину якої в подальшому позначатимемо через E_g (рис. 1.2, б, в). Різниця між цими матеріалами полягає лише в розмірі забороненої зони. В ізоляторів величина E_g значно більша, ніж у напівпровідників. При низьких температурах обидва матеріали не проводять електричного струму, оскільки в зоні провідності практично немає електронів – величина енергії, яку вони можуть набути під дією прикладеного зовнішнього електричного поля, недостатня для подолання забороненої зони. Але при вищих температурах внаслідок теплових флуктуацій деяка кількість електронів отримує енергію, достатню для переходу з валентної зони в зону провідності. Оскільки ширина забороненої зони в напівпровідників менша, ніж у ізоляторів, то при однаковій температурі електропровідність напівпровідників значно перевищує електропровідність ізоляторів. Тобто, висока електропровідність у напівпровідниках виникає при значно нижчих температурах, ніж у ізоляторах.

У подальшому можна не розглядати всі глибокі енергетичні зони, які розташовані нижче від валентної зони, оскільки електрони в цих зонах не беруть участі в процесі протікання електричного струму через кристал.

- 6 -

Отже, електрони у твердому тілі, як і в атомах, можуть мати лише такі енергії, які відповідають дозволеним енергетичним станам або енергетичним зонам. Інших значень енергії вони набувати не можуть. Зонна структура енергетичного спектру електронів у твердому тілі є наслідком дискретних енергетичних рівнів атомів, з яких воно складається.

Кожна енергетична зона не суцільна, а складається з дискретних енергетичних станів (рівнів). Припустимо, що кожний атом твердого тіла має лише по одному валентному електрону. Оскільки концентрація атомів у твердому тілі складає 10²²…10²³ ат/см³, а ширина енергетичної зони валентних електронів ­– приблизно 1 еВ, то відстань між окремими енергетичними рівнями в зоні приблизно дорівнює 10^-22…10^-23 еВ. При збільшенні концентрації атомів ширина зони не збільшується, а лише відбувається ущільнення окремих електронних станів (енергетичних рівнів) всередині зони.

Рис. 1.3. Схема руху електронів у валентній зоні

Після того, як частина електронів перейде з валентної зони в зону провідності, валентна зона буде заповнена не повністю. У ній буде відповідна кількість вакантних місць, що створює можливість для руху електронів у валентній зоні (рис. 1.3). Отже, протікання електричного струму через напівпровідниковий кристал зумовлене одночасним переміщенням електронів і в зоні провідності, і у валентній зоні (рис. 1.4). Але переміщення електронів у валентній зоні відбувається складніше, ніж у зоні провідності. Електрон, який знаходиться поряд з вакантним місцем, “перескакує” на це місце і звільняє нову вакансію в напрямку протікання струму. Наступний електрон знову займає вільне

- 7 -

місце і т.д. Переміщення вільного місця (вакансії) у валентній зоні ототожнюють з переміщенням деякої частинки, що має позитивний заряд. Цю частинку називають діркою. Переміщення дірок під дією прикладеного до напівпровідника зовнішнього електричного поля відбувається в напрямку протікання струму, але в дійсності воно забезпечується “естафетним” рухом електронів проти напрямку поля.

Електропровідність, яка забезпечується одночасною участю електронів і дірок, називається власною або електронно-дірковою провідністю. Для кожного напівпровідника існує певна температура, при якій настає власна провідність.

Рис. 1.4. Зонна схема власної провідності