Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Optical and photoelectric properties of semicon...doc
Скачиваний:
10
Добавлен:
02.09.2019
Размер:
908.8 Кб
Скачать

2. Термостимульована релаксація електропровідності

2.1. Термостимульована провідність

Як зазначено раніше (п.1.5), освітлення може призводити до зміни заповнення носіями заряду локальних домішкових рівнів у забороненій зоні напівпровідника внаслідок захоплення ними нерівноважних носіїв із дозволених енергетичних зон. Домішкові рівні, які характеризуються великою ймовірністю зворотних теплових переходів захоплених носіїв у дозволені енергетичні зони, називають рівнями прилипання. Енергетичні рівні цього типу практично обмінюються носіями заряду лише з однією (найближчою) енергетичною зоною. Вони розташовані у забороненій зоні напівпровідника поблизу дозволених енергетичних зон. Біля зони провідності розташовані рівні прилипання для електронів, а біля валентної зони – рівні прилипання для дірок. Рівні рекомбінації, які характеризуються великими ймовірностями захоплення носіїв заряду обох типів, розташовані в області середини забороненої зони напівпровідника.

Заповнення рівнів прилипання носіями заряду при освітленні напівпровідника є нерівноважним і призводить до виникнення квазірівноважного стану, який при деякій низькій температурі Т0, при якій середня енергія kT0 теплового руху атомів напівпровідника значно менша від енергії Et активації центрів прилипання (kT<< Et), може зберігатись досить довго після припинення освітлення. Для переведення захоплених носіїв з рівнів прилипання у дозволені енергетичні зони необхідно опромінити напівпровідник світлом з енергією фотонів не меншою, ніж енергетична віддаль між цими рівнями і найближчою енергетичною зоною, або нагріти його. При цьому на деякий час збільшиться електропровідність напівпровідника.

Явище збільшення електропровідності при нагріванні напівпровідника, який внаслідок попереднього освітлення знаходиться у квазірівноважному стані при низькій температурі, називають термостимульованою провідністю (ТСП). Термостимульована провідність є надлишковою порівняно з рівноважною. Вона спостерігається лише до того часу, поки

- 24 -

звільнені з рівнів прилипання носії заряду не прорекомбінують з носіями протилежного знаку. Лише після цього можна вважати, що напівпровідник перейшов у рівноважний стан.

Рис.2.1. Зонні діаграми напівпровідника при збудженні

нерівноважних носіїв (а), після закінчення

перезаряджання домішкових центрів і утворення

квазірівноважного стану (б) та при нагріванні (в).

Для пояснення описаного явища розглянемо напівпровідник, у якому є декілька типів рівнів прилипання для електронів (t-рівні) та один тип рівнів рекомбінації (r-рівні). Нехай у стані рівноваги при низькій температурі t-рівні не заповнені електронами, а рівні рекомбінації заповнені (рис.2.1, а). Освітлення напівпровідника світлом з енергією фотонів h  Eg призведе до утворення нерівноважних електронів у с-зоні та нерівноважних дірок у v-зоні (рис.2.1, а, перехід 1), які захоплюватимуться рівнями t і r відповідно (рис.2.1, а, переходи 2...5). Внаслідок цього напівпровідник перейде у квазірівно-важний стан, при якому рівні прилипання будуть заповнені електронами, а рівні рекомбінації – дірками. У цьому випадку квазірівень Фермі Fn буде розташований вище від наймілкішого рівня прилипання t1, заповненого електронами (рис.2.1, б).

Зауважимо, що тривалість освітлення повинна бути достатньою для рівномірного заповнення рівнів прилипання електронами у всьому об’ємі напівпровідникового зразка. Після припинення освітлення вмикають електричний струм через зразок, і через деякий проміжок часу, коли встановиться

- 25 -

стаціонарне значення струму, розпочинають нагрівання зразка зі сталою швидкістю у темряві. При цьому вимірюють залежність струму від температури зразка.

Нагрівання зразка призводить до термічної іонізації рівнів прилипання і, отже, до збільшення концентрації електронів у с-зоні, внаслідок чого у колі зразка відбуватиметься збільшення струму. Спочатку найбільшою буде інтенсивність термічної іонізації наймілкішого заповненого електронами рівня прилипання t1, що зумовлює опускання рівня Fn вниз (рис.2.1, в, перехід 1). У випадку, коли розташування рівня Fn співпаде з рівнем t1, на кривій залежності струму від температури спостерігатиметься перший максимум (рис.2.2, крива а, максимум 1). При подальшому нагріванні зразка струм дещо зменшиться, що зумовлюється виснаженням рівня t1 та рекомбінацією електронів з дірками на r-рівнях (рис.2.1, в, перехід 7). При цьому термічна іонізація рівня прилипання t2 ще незначна (рис.2.1, в, перехід 8). Але зі збільшенням температури інтенсивність іонізації цього рівня збільшується, і струм у колі зразка знову зростає.

Рис.2.2. Температурна залежність струму, що протікає у

напівпровіднику при нагріванні: 1 – напівпровідник перебуває

у квазірівноважному стані після попереднього освітлення;

2 – напівпровідник перебуває у рівноважному стані.

При наближенні рівня Fn до рівня Е2 швидкість зростання струму буде зменшуватись, і на кривій І(Т) спостерігатиметься другий максимум при Fn = Е2 (рис.2.2, крива а, максимум 2).

- 26 -

Подальше підвищення температури зразка призведе до виснаження рівня t2 та активізації процесу переходу електронів з рівня t3 у с-зону (рис.2.1, в, перехід 9). Внаслідок цього на кривій І(Т) спостерігатиметься третій максимум при Fn = Е3 (рис.2.2, крива а, максимум 3). Число максимумів на кривій І(Т) визначається числом рівнів прилипання, які перебувають у квазірівноважному стані при низькій температурі після припинення освітлення зразка.

Різниця між величиною виміряного таким способом струму та рівноважного струму, виміряного у цьому ж інтервалі температур без попереднього освітлення зразка при низькій температурі (рис.2.2, крива б), визначає термостимульований струм ІТСП. Залежність величини ІТСП від температури, яка характеризується наявністю одного або кількох максимумів, називають спектром термостимульованої провідності (рис.2.3).

Рис.2.3. Спектр термостимульованої провідності.

Отже, нагрівання напівпровідникового зразка, який внаслідок попереднього освітлення при низькій температурі перебуває у квазірівноважному стані, призводить до переходу його у рівноважний стан. Надлишкові електрони, що утворюються при цьому у с-зоні й зумовлюють явище ТСП, рекомбінують з дірками на рівнях рекомбінації. Після закінчення процесу їх рекомбінації у напівпровіднику відновлюється рівноважний стан.

- 27 -

За розташуванням та формою максимумів кривих ТСП можна визначити основні параметри рівнів прилипання: розташування енергетичних рівнів Et у забороненій зоні, їх концентрацію Nt та перерізи захоплення ними нерівноважних електронів Stn і дірок Stp.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]