Лабораторная работа №3 спектральные характеристики фотопроводимости (внутренний фотоэффект) Цель работы: 1. Познакомиться с явлением внутреннего фотоэффекта.

2. Измерить основные фотофизические характеристики фоторезистора: спектральную зависимость фотопроводимости, красную и синюю границу внутреннего фотоэффекта, ширину запрещенной зоны полупроводника.

Введение

В 1873 г. английский электротехник У. Смит открыл фоточувствительность селена. Изучение электрических свойств твердых тел показало, что обнаруженное Смитом явление наблюдается у целого ряда полупроводников и диэлектриков, в то время как в металлах оно отсутствует.

Явление уменьшения электрического сопротивления вещества под действием излучения получило название внутреннего фотоэффекта, а возникающая при этом дополнительная электропроводность — фотопроводимости. Основную же проводимость, обусловленную тепловым возбуждением свободных носителей заряда, называют темновой.

Внутренний фотоэффект наблюдается как в собственных полупроводниках, так и в примесных. При этом: механизмы фотоэффекта в том и в другом случаях совершенно идентичны.

Если энергия фотона h равна ширине запрещенной зоны Е данного полупроводника или даже превышает ее, то поглощенный фотон отдает целиком свою энергию валентному электрону, который переходит в свободную зону и становится, таким образом, электроном проводимости. Одновременно с переходом электрона из заполненной зоны в свободную возникает одна дырка. Следовательно, один поглощенный фотон с энергией h ≥ Е освобождает пару электрон - дырка. На опыте было установлено, что у большинства собственных полупроводников фотоносителями являются не электроны и дырки одновременно (биполярная проводимость), а те заряды, у которых в данных условиях больше время жизни. В одних случаях это - электроны, в других — дырки (монополярная проводимость). Возникшие под действием излучения дополнительные носители зарядов обуславливают возрастание электропроводности образца.

Эффекты поглощения света в полупроводниках находят практическое применение при создании модуляторов световых потоков, фотоприемников и преобразователей световой энергии в электрическую. Приборы, позволяющие регистрировать световое излучение с помощью явления фотопроводимости, называют фоторезисторами.

На рис.1 показаны устройство фоторезистора и схема его включения. Чувствительный элемент фоторезистора представляет собой брусок или пленку монокристаллического или поликристаллического полупроводника с двумя

рис.1 рис. 2

омическими контактами. Его подключают к источнику смещения Vо через нагрузочное сопротивление R_н.

Чувствительный элемент должен быть достаточно толстым, чтобы в нем поглощался практически весь свет W₀(1-r), прошедший через освещенную поверхность (W₀ — мощность падающего света; r — коэффициент отражения поверхности). Это требование легко выполнить для собственных фоторезисторов и часто трудно выполнить для примесных. Если оно выполнено, то число носителей (или пар носителей при собственном поглощении), генерируемых светом в единичное время в чувствительном элементе при l<l_max, составляет

G=W₀(1-r)/(h) (1)

где — квантовый выход внутреннего фотоэффекта, равный числу носителей (пар носителей), рождаемых в среднем каждым поглощенным фотоном. Он может быть больше 1, если при поглощении одного фотона высокой энергии рождается две (и более) электронно-дырочных пары, и меньше 1, если часть фотонов поглощается свободными носителями заряда.

Под действием напряжения V₀, приложенного к фоторезистору, созданные светом носители заряда совершают дрейф и создают в цепи ток, который называют фототоком I_Ф.

Его легко определить из следующих соображений. Каждый носитель заряда за время своей жизни т проходит через резистор /t_пр раз, где t_пр — время пролета, или, точнее, время дрейфа носителя через резистор. Оно равно длине l чувствительного элемента резистора, деленной на скорость дрейфа v_др:

t_пр=l/v_пр=l/(uE)=l²/(uV), (2)

где и — подвижность носителей. Сила фототока I_ф равна произведению числа носителей G, ежесекундно генерируемых в полупроводнике под действием света, отношения /t_пр и заряда электрона е:

I_ф=eG/t_пp=eGuV/l²=eNuV/l², (3)

где N =G — число избыточных носителей в фоторезисторе. Если свет генерирует пару носителей, то вместо и следует писать сумму подвижностей (и_п + и_р.).

Подставив в (3) значение G из (1), получим:

(4)

Отношение

(5)

характеризует чувствительность фоторезистора, которая пропорциональна длине волны падающего света (вплоть до _max), приложенному напряжению V, времени жизни носителей  и их подвижности и и обратно пропорциональна квадрату длины чувствительного элемента фоторезистора.

Время жизни носителей  определяет не только чувствительность, но и инерционность фоторезистора: чем больше , тем выше чувствительность, но тем выше и инерционность прибора. Действительно, рассмотрим, например, характер спада фотопроводимости фоторезистора после выключения источника света (рис. 2). Вследствие протекания процесса рекомбинации концентрация избыточных носителей убывает по закону

n=n₀e^-(t-t₀^)/ (6)

где t₀ — момент выключения света. По такому же закону происходит и спад фотопроводимости полупроводника (кривая ВС на рис. 2):

_Ф=_Ф0e^-(t-t₀^)/, (7)

где _Ф0 — стационарная (установившаяся) фотопроводимость в условиях постоянной освещенности фоторезистора.

Из (7) видно, что чем больше время жизни избыточных носителей, тем медленнее происходит спад фотопроводимости; следовательно, тем более инерционен фотоприемник излучения.

Легко показать, что касательная, проведенная к кривой спада фотопроводимости _Ф(t) в точке t₀, отсекает на оси времени отрезок, численно равный  — времени жизни избыточных носителей. Это часто используют для экспериментального определения .

На рис. 2 показан также характер нарастания фотопроводимости полупроводника после включения светового импульса (кривая 0В), описываемого следующим уравнением:

_Ф=_Ф0 (1-e^-t/) (8)

И в этом случае касательная, проведенная к кривой _Ф(t) в начале координат, отсекает на прямой АВ отрезок, численно равный .

Следует указать, что в поликристаллических фоторезисторах чувствительность часто определяется процессами на границах монокристаллических зерен, а не процессами в объеме полупроводника; в этом случае соотношение (5) неприменимо.

Увеличение проводимости кристалла при освещении - фотопроводимость - складывается из объемной и поверхностной составляющих. Объемная фотопроводимость – это дополнительная проводимость электронейтрального объема при освещении кристалла, которая может быть как биполярной — если "прилипание" в объеме отсутствует (n₀=p₀,) , так и монополярной, если носители заряда одного знака быстро захватываются ловушками и не принимают участия в процессах переноса. Поверхностная фотопроводимость в общем случае состоит из двух частей биполярной и монопо

рис.3

лярной. Их происхождение точно такое же, как и поверхностной фотоэдс - первая возникает из-за разделения в поле области пространственного заряда (ОПЗ) электронов и дырок, генерируемых светом, а вторая - благодаря появлению в ОПЗ носителей заряда только одного знака (носители другого знака захватываются на поверхностные электронные состояния).

Относительная роль различных составляющих фотопроводимости зависит от соотношения глубины поглощения света, диффузионной длины, ширины ОПЗ, и толщины кристалла d. Глубина поглощения определяется величиной коэффициента поглощения (d₀ = ^-1); в полосе собственного поглощения  достигает 10⁵ - 10⁶ см^-1 и быстро уменьшается на краю фундаментальной полосы до значения   1см^-1. При меньших энергиях квантов может наблюдаться примесное поглощение, обусловленное индуцированными светом переходами между центрами захвата и разрешенными зонами. С примесным поглощением на поверхности обычно связана монополярная фотопроводимость ОПЗ, типичные спектральные зависимости которой приведены на рис.3

Возникновение максимума на спектральной зависимости фотопроводимости, связанного с краем полосы фундаментального поглощения, можно объяснить следующим образом: в коротковолновой области фотопроводимость образца небольшая, поскольку при больших значениях коэффициента поглощения генерация электронно-дырочных пар происходит в приповерхностной области полупроводника (d₀ = ^-1) где высока вероятность захвата свободных носителей на поверхностные состояния; в длинноволновой области фотопроводимость мала поскольку энергии фотонов недостаточно для генерации свободных носителей; на краю полосы фундаментального поглощения (край запрещенной зоны) реализуется возможность эффективной генерации электронно-дырочных пар на значительной глубине от поверхности полупроводника, что сопровождается резким увеличением фотопроводимости образца