Биполярная и монополярная генерация

Генерацию, при которой одновременно образуется одинаковое число свободных электронов и дырок (Dn = Dр), называют биполярной генерацией. Биполярная генерация имеет место лишь при межзонных переходах типа 1 на рис. 1.

Генерацию, при которой образуется только один тип свободных носителей (или свободные электроны, или свободные дырки), называют монополярной генерацией. Монополярная генерация может идти только с участием дефектных состояний в запрещенной зоне. На рис. 1 переходы типа 2 приводят к образованию только свободных электронов, а переходы типа 3 соответствуют генерации только дырок. Экспериментально монополярную генерацию можно наблюдать лишь при высокой концентрации дефектов.

Для возбуждения собственных атомов полупроводника (переходы типа 1) фотон должен обладать энергией hv₁ ³ DE_g. Максимальная длина волны (красная граница фотопроводимости), при которой свет создает свободные носители заряда, определяется соотношениями:

для собственной фотопроводимости

l_макс.i = hc/E_g . (1)

Постоянная hсравна 1,24 эВ/мкм. Энергия активации 1 эВ соответствует длине волны 1,24 мкм.

Для примесной фотопроводимости

l _{макс.пр} = hc/DE _пр , (2)

где DЕ_пр, - энергия активации примесных атомов (переходы типа 2 и 3 на рис 1).

Электроны или дырки, генерируемые светом являются не равновесными носителями заряда. Полная концентрация носителей заряда в неравновесном состоянии равна сумме концентраций равновесных (п_о , р_о) и неравновесных (Dn, Dр) носителей заряда:

n = n_o + Dn ; (3)

p = p_o + Dp . (4)

Полная проводимость полупроводника при этом равна:

s = s_r + Ds = q (n₀u_n + p₀u_p) + q (Dn u_n + Dp u_p), (5)

где s_r - темновая (равновесная) проводимость; u_n и u_p – подвижности электронов и дырок, Ds - неравновесная проводимость (фотопроводимость). Фотопроводимостью называют величину, равную изменению проводимости при освещении. Тогда для фотопроводимости можно записать:

Ds = q (Dn u_n + Dp u_p). (6)

Если электроны и дырки в результате поглощения фотона стали свободными, то они будут оставаться свободными до тех пор, пока не будут захвачены каким-либо дефектом или рекомбинируют. Центры захвата носителей можно разделить на две группы – центры прилипания и центры рекомбинации:

1) центры прилипания, когда захваченный носитель имеет большую вероятность перейти снова в свободное состояние в результате теплового возбуждения. На рисунке 2 переходы с участием центров прилипания отмечены как 1, 1^/ и 2, 2^/.

2) центры рекомбинации расположены более глубоко, поэтому захваченный носитель не может вернуться в делокализованную зону за счет тепловой энергии решетки и имеет большую вероятность рекомбинировать с носителем противоположного знака.

На рисунке 2 процесс захвата электрона - переход 3, а дырки - 4. Процессы рекомбинации захваченных электрона и дырки показаны переходами 3^/ и 4^/ . Прямая рекомбинация свободного электрона из зоны проводимости с дыркой валентной зоны называется межзонной рекомбинацией и показана переходом 5. Дефекты в межзонной рекомбинации не участвуют.

В реальных полупроводниках с большим числом примесных и дефектных уровней прямая межзонная рекомбинация менее вероятна. В большинстве случаев рекомбинация происходит через центры захвата типа 3, 4 когда примесным центром сначала захватывается электрон, а затем дырка (переходы 3, 3^/) или, сначала захватывается дырка, а затем на примесный уровень падает электрон из зоны проводимости (переходы 4 и 4^/).

При рекомбинации носителей, так же как и при генерации, должны соблюдаться законы сохранения энергии и импульса. При рекомбинации освобождаемая энергия может излучаться в виде света (излучательная рекомбинация), выделяться в виде фононов (безизлучательная рекомбинация) или передаваться другому свободному электрону (ударная рекомбинация).

Фототок фоторезистора.

Рассмотрим связь фотопроводимости с интенсивностью света при равномерной по объему генерации. При освещении полупроводника светом с энергией кванта примерно равной запрещенной зоне hn₁@DE коэффициент поглощения мал и происходит равномерная генерация свободных электронов и дырок по всему объему. Условие малого значения коэффициента поглощения записывается в виде:

ad << 1, (7)

где a - коэффициент поглощения света, d – толщина полупроводника. Пусть на поверхность полупроводника падает монохроматический световой поток интенсивностью I=hnN. Если коэффициент отражения света от поверхности полупроводника r, то величина потока, входящего в полупроводник равна:

I = (1-r)I . (8)

Если коэффициент поглощения света a мал, то число квантов света, поглощенных в единице объема за единицу времени

N = a I/hn . (9)

Эффективность фотогенерации характеризуют внутренним квантовым выходом, равным отношению числа фотогенерированных носителей Dn к общему числу поглощенных квантов света :

(10)

Внутренний квантовый выход может принимать значение, равное единице для фотоактивных поглощений или нуля для нефотоактивных поглощений. Однако экспериментально измеряемая величина b может быть как меньше, так и больше единицы. Значение квантового выхода меньше единицы объясняется нефотоактивными поглощениями света (экситонами, свободными электронами и др.). Значение квантового выхода больше единицы объясняется тем, что при облучении полупроводника излучением с большой энергией кванта, электрон получает кинетическую энергию, достаточную для одного или несколько актов ударной ионизации.

Скорость межзонной генерации носителей заряда зависит от квантового выхода фотоионизации:

Dn = (1-r) b a N = b_n a N; (11)

Dp= (1-r) b a N = b_р a N, (12)

где b_n = (1-r)b - внешний квантовый выход электронов, b_р = (1-r)b - внешний квантовый выход дырок, рассчитанные на падающий световой поток. Если фотопроводимость обусловлена поглощением локализованными состояниями, то одна из величин - b_n или b_p - равна нулю. Для собственной фотопроводимости (область фундаментального поглощения) b_n = b_p и Dn = Dp.

Если бы существовали только процессы генерации, то концентрация неравновесных носителей с течением времени t увеличивалась бы по линейному закону

Dn = Dp = b_n aNt. (13)

В действительности же существует обратный процесс рекомбинации. Когда скорость рекомбинации достигнет скорости генерации носителей, тогда устанавливается стационарное состояние неравновесной концентрация фотоносителей. В двух простейших частных случаях линейной и квадратичной рекомбинации фотoпроводимость подчиняется соотношениям для концентрации неравновесных электронов:

Dn_ст = t_тb aN, (14)

и фотопроводимости

(15)

Величину t_n в этом случае называют постоянной времени релаксации фотопроводимости.

Если выключить освещение полупроводника, то концентрация неравновесных носителей начнет уменьшаться за счет рекомбинации:

(16)

Решая уравнение (17) с учетом начальных условий (при t = 0, Dn = Dn_ст ), получим:

- для концентрации неравновесных электронов

(17)

- для фотопроводимости

(18)

Кривые нарастания и спада концентрации неравновесных носителей называются кривыми релаксации (Рисунок 3).

Релаксация неравновесной концентрации носителей заряда и фотопроводимости в случае линейной рекомбинации при мгновенном выключении света происходит по экспоненциальному закону. Это дает возможность по исследованию релаксационных кривых непосредственно определять величину t = t_n = t_p. Касательная к начальному участку кривой нарастания (спада) пересекается с линией стационарного значения фотопроводимости (осью абцисс) в точке t = . Зависимость фотопроводимости Ds и фототока I_ф от интенсивности света определяются типом рекомбинации. Если рекомбинация линейная, то фототок пропорционален интенсивности света:

~ N, ~ N (19)

Если рекомбинация квадратичная то фотопроводимость и фототок пропорциональны корню квадратному из интенсивности света:

~ ~ (20)

Определить тип рекомбинации линейный или квадратичной можно графически, построив зависимость фототока от интенсивности света в разных координатах, как показано на рисунке 4.

~ N^g, (21)

Отношение фотопроводимости к интенсивности света N называется фоточувствительностью полупроводникового вещества

(22)

Фотоэлектрический полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании фоторезистивного эффекта (фотопроводимости), называется фотосопротивлением или фоторезистором.

Описание установки

Фоторезистор включают в электрическую цепь последовательно с источником напряжения. В темноте через него будет течь темновой ток I_Т, при освещении же его поверхности в цепи будет течь световой ток I_C. Разность между световым и темновым токами представляет собой фототок.

Рисунок 5 - Блок - схема установки для измерения спектральных и люкс-амперных характеристик

При исследованиях фотопроводимости для создания освещения использовались красный, зеленый, синий и ИК светодиоды. Питание на светодиоды подавалось от источника питания Б5-30. Изменение силы тока через светодиоды позволяет изменить интенсивность освещения.

Для ИК светодиода (АЛ-123) максимум спектра излучения равен 0,94 мкм (1,3 эВ), и ширина спектральной характеристики 0,05 мкм на уровне 0,5. У красного светодиода (АЛ-316) максимум спектра излучения равен 0,67 мкм (1,85 эВ), и ширина спектральной характеристики 0,05 мкм на уровне 0,5. Для зеленого светодиода (КИПД-02В) максимум спектра излучения равен 0,56 мкм (2,12 эВ), и ширина спектральной характеристики также 0,05 мкм на уровне 0,5. Спектральные кривые излучения светодиодов приведены на рисунке 13.

Рисунок 6 - Спектральные кривые излучения светодиодов

Рабочее задание

1. Устанавливая разные светодиоды и меняя силу тока через светодиод снимите зависимость тока фоторезистора от тока через светодиод.

2. Постройте зависимости I_ф=f(I) для исследуемого фоторезистора в линейном и квадратичном масштабах и определите тип рекомбинации.

Контрольные вопросы:

1. Какие носители заряда называют неравновесными?

2. Объясните возможные переходы электронов при поглощении квантов света и рекомбинации

4. Какими выражениями определяется красная граница фотопроводимости для собственных и примесных полупроводников?

5. Каков физический смысл понятия «квантовый выход»?

6. Как зависит стационарная фотопроводимость от интенсивности света при линейной и квадратичной рекомбинации?

Литература

1. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Учеб. пособ. для вузов: - 2-е изд. - М.: Лаборатория Базовых знаний, 2000.- 488с.

2. C.Зи. Физика полупроводниковых приборов. Изд. “Наука”, 1984г, 364 с.

3. Шалимова К. И.Физика полупроводников. М., Энергоатомиздат, 1985, 392 с.

4. Р.М. Айтмамбетов, Е.А.Cванбаев, Ш.Б.Байганатова, А.С.Калшабеков, Б.Капланбеков, Т.И.Таурбаев. Структура и свойства некоторых функциональных фотопреобразователей и солнечных элементов. Мат. научно-практической конференции «Роль фундаментальных общеобразовательных дисциплин и при-менение информационных технологий при подготовке специалистов в технических ВУЗах», ВИИРС, Алматы, 2004, с. 15-19.

5. Ю. А. Дудников, С.М. Манаков, Е.А.Cванбаев, А.А. Стамкулов, Т.И.Таурбаев, Л.Л. Хренов, Фотопреобразователи на основе аморфного гидрогенизированного кремния. Ж. «Оптико-механическая Промышленность», №12, 1989, стр. 49-51.

Лабораторная работа № 4

Звездный электрофотометр

Цель работы:

Исследование луны и ярких звезд с помошью звездного электрофотометра.

Приборы и принадлежности:

Учебный телескоп

12. Цифровая ПЗС камера

13. Фотоумножитель ФЭУ-64

14. Фотопреобразователь (фоторезистор или фотоприемник)

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: