Внутренний фотоэффект в примесных полупроводниках

Появление неравновесных носителей в полупроводниках под действием электромагнитного излучения носит название внутреннего фотоэффекта, а возникающая при этом проводимость называется фотопроводимостью. Для появления дополнительных свободных носителей заряда необходимо, чтобы энергия электромагнитного кванта была не меньше, чем энергия активации проводимости: в собственных полупроводниках hν ≥ Δ Е₀ в примесных полупроводниках n-типа hν ≥ Δ Е_d (рис. 3.4а), в примесных полупроводниках p-типа hν ≥ Δ Е_а (рис. 3.4б). При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n-типа (рис. 3.4а) или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (рис. 3.4б) В результате возникает примесная фотопроводимость, являющаяся чисто электронной для полупроводников n-типа и чисто дырочной для полупроводников р-типа.

 

а	б

Рис. 3.4. Возникновение примесной фотопроводимости у полупроводников: а – n-типа; б – р-типа.

 

Из этих условий можно найти красную границу внутреннего фотоэффекта:

.

Учитывая значения DE_{d, a} для конкретных полупроводников, можно показать, что красная граница фотопроводимости для примесных полупроводников приходится на инфракрасную область спектра.

Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n -переход)

а	б
Рис. 3.5. Создание р-n-перехода.

Рис. 3.6. Возникновение контактной разности потенциалов.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. р-n-Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия n-типа накладывается индиевая «таблетка» (рис. 3.5а). Эта система нагревается примерно при 500°С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n-типа образуется p-n-переход (рис. 3.5б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р-n-переходе (рис. 3.6). Пусть донорный полупроводник приводится в контакт с акцепторным полупроводником. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении – в направлении р ® n. В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 3.6). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n ® р и дырок в направлении р ® n. Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках n- и р-типа одинаковы, то толщины слоев d₁ и d₂ (рис. 3.6), в которых локализуются неподвижные заряды, равны d₁ = d₂.

Толщина d слоя p-n-перехода в полупроводниках составляет примерно 10^-6 – 10^{-7 м, а контактная разность потенциалов – десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).}

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к р-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к р-полупроводнику (рис. 3.7а), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы p-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р-n-переход практически не проходит. Ток в запирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Если приложенное к р-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 3.7б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь р-n-переход в направлении от р-полупроводника к n-полупроводнику; оно называется пропускным (прямым).

Таким образом, р-n-переход (подобно контакту металла с полупроводником) обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

 

а	б

Рис. 3.7. Приложение внешнего электрического поля к р-n-переходу.

 

На рис. 3.8 представлена вольт-амперная характеристика р-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе р-n-перехода (см. рис. 3.7б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 3.8). Это направление тока называется прямым.

Рис. 3.8. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода.

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе р-n-перехода (см. рис. 3.7а) и способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. Поэтому в данном случае через р-n-переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь рис. 3.8). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока р-n-переходы действуют как выпрямители.

 

Фотоэффект на p-n-переходе

Фотодиод является полупроводниковым прибором, который имеет светочувствительную поверхность. В фотодиоде используется эффект разделения на границе электронно-дырочного перехода неравновесных носителей, создаваемых светом.

Рассмотрим контакт p-полупроводника и n-полупроводника (p-n-переход). В области контакта происходит изгиб энергетических зон, приводящий к их взаимному смещению. Это показано на рис. 3.9, где штриховой прямой изображен уровень энергии Ферми (в состоянии термодинамического равновесия положение уровня Ферми в p-области совпадает с его положением в n-области), 1 — дно зоны проводимости, 2 — потолок валентной зоны.

 

а	б

Рис. 3.9. Изгиб энергетических зон при контакте полупроводников p- и n-типа.

Основными носителями заряда в p-области являются дырки; их концентрация много больше концентрации электронов проводимости. В n-области наблюдается обратная картина: там основными носителями являются электроны проводимости. Диффузии электронов проводимости из области с высокой их концентрацией (n-области) в область с низкой концентрацией (в p-область) препятствует потенциальный барьер высотой еФ; Ф — контактная разность потенциалов. Аналогичное замечание можно сделать относительно диффузии дырок из p-области в n-область. Иными словами, контактная разность потенциалов в p-n-переходе препятствует уходу основных носителей из «своей» области. В то же время она способствует уходу в другую область неосновных носителей.

Предположим теперь, что на p-полупроводник с наружной стороны падает поток фотонов (рис. 3.9б). Энергия фотонов превышает ширину запрещенной зоны. Фотоны генерируют электроны проводимости и дырки, которые, возникнув, начинают диффундировать через p-область по направлению к p-n-переходу. Электроны проводимости являются для p-области неосновными носителями, поэтому внутреннее поле в p-n-переходе «втягивает» их в n-область. Что же касается дырок, то они являются для p-области основными носителями, поэтому поле в p-n-переходе задержит их и возвратит обратно в p-область. В результате происходит пространственное разделение оптически генерированных электронов и дырок; p-полупроводник приобретает положительный, а n-полупроводник — отрицательный заряд, что эквивалентно возникновению ЭДС. При этом уровни Ферми в p-области и n-области смещаются друг относительно друга на еε, где ε — фотоЭДС; контактная разность потенциалов уменьшается на ε (рис. 3.9б).

Внутренний фотоэффект, проявляющийся в возникновении фотоЭДС, называют также фотогальваническим (или фотовольтаическим) эффектом. Одним из видов этого эффекта является возникновение вентильной (барьерной) фотоЭДС в p-n-переходе.

Явление возникновения фотоЭДС в p-n-переходе используется на практике для создания солнечных элементов, превращающих энергию излучения Солнца в электрическую энергию. Из солнечных элементов собирают солнечные батареи, применяемые в качестве источников питания различных наземных и космических объектов.

Большое практическое применение находят солнечные элементы на основе кремния (точнее говоря, на основе контакта p-Si и n-Si); КПД этих элементов достигает 15 %. Применяются также элементы на основе арсенида галлия (GaAs). Имея несколько более низкий КПД, они в то же время характеризуются большей стойкостью к радиационным повреждениям.

Если фотодиод подключить в обратном направлении, то в отсутствие освещения через прибор протекает обычный обратный ток, обусловленный малым количеством неосновных носителей заряда, имеющих тепловое происхождение. При освещении, например, дырочной области полупроводника в фотодиоде генерируются электронно-дырочные пары. В результате диффузии дырки (основные носители) уходят либо к омическому контакту, либо на поверхность и там рекомбинируют. Электроны же (неосновные носители) диффундируют к переходу и втягиваются полем p-n-перехода в электронную область прибора, значительно увеличивая величину обратного тока. Фототок при этом определяется в основном концентрацией неосновных носителей заряда, то есть определяется интенсивностью света, а не приложенным обратным напряжением. Такой режим работы называется фотодиодным. В зависимости от величины освещённости этой поверхности, меняется ток через фотодиод, если на него подано напряжение (фотодиод включается в обратном направлении, как и стабилитрон). Этот эффект используется в различных оптических датчиках. Например, пара светодиод-фотодиод используется в компьютерной мыши.

Таким образом, принцип работы фотодиода определяется выбранным режимом. В фотодиодном режиме (рис. 3.10б) фотодиод может работать как датчик освещённости. В фотогальваническом (рис. 3.10а) – как источник электроэнергии. Конечно, один фотодиод – это очень слабый источник электроэнергии. Для того чтобы получить хоть какую-то реальную энергию, нужно включить вместе десятки и сотни фотодиодов. Отсюда и внушительные размеры солнечных батарей.

 

а	б

Рис. 3.10. Схемы включения фотодиода: а – фотовольтаический режим; б – фотодиодный режим.

 

Методика эксперимента

В качестве источников света в лабораторной установке используется набор светодиодов (кластер), излучающих в различных узких диапазонах длин волн. Эти диапазоны лежат в видимой и инфракрасной частях спектра.

На рис. 3.11 представлена электрическая схема для исследования фотодиодного режима. В качестве источника ЭДС используется генератор регулируемого постоянного напряжения блока ИПС1, работающий в диапазоне 0..6, 3 В. Такое включение измерительных приборов позволяет исключить шунтирование вольтметром диода. При этом в рабочем диапазоне токов влияние внутреннего сопротивления амперметра на показания вольтметра незначительное.

Рис. 3. 11. Электрическая схема для исследования фотодиодного режима.

 

На рис. 3.12 представлена электрическая схема для исследования вентильного режима фотодиода. Резистор необходим для того, чтобы исключить возможное детектирование сигнала наводки на провода собранной схемы. Если входное сопротивление вольтметра около 1МОм, то данный резистор можно и не ставить.

Рис. 3.12. Электрическая схема для исследования вентильного (фотофольтаического) режима фотодиода.

 

При выполнении работы необходимо учитывать, что в лабораторной установке устанавливается не абсолютная, а относительная интенсивность излучения J/J₀, где J₀ – некоторая константа, задаваемая измерительным прибором и регулируется пользователем с помощью регулятора.

 

Лабораторная установка

Экспериментальная установка (рис. 3.13) для изучения внутреннего фотоэффекта состоит из:

- амперметра 1 и вольтметра 2, собранных конструктивно в одном корпусе 3;

- блока питания ИПС1 4, включающего в себя генератор постоянного напряжения 5 и узел 6, управляющий светодиодным кластером, состоящим из 8 светодиодов с различными длинами волн излучения;

- стенда 7 с объектами исследования С3-ОК1, содержащего набор излучателей 8 и исследуемый фотодиод 9.

Рис. 3.13 Лабораторная установка.

 

Порядок выполнения работы

 

⇐ Предыдущая12345

Поделиться: