Электронные лекции в формате DOC (08)

Посмотреть архив целиком

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

НЕКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ


Фотоэлектрические свойства полупроводников основаны на внутреннем фотоэлектрическом эффекте – изменении электропроводности полупроводника, обусловленном непосредственным действием излучения.

Наибольшее практическое значение имеет фотоэффект в областях А и В спектральной зависимости коэффициента оптического поглощения (прошлая лекция). Как мы знаем, при поглощении кванта света в этих случаях генерируется пара электрон – дырка. Следовательно, изменение электропроводности полупроводника вызывается изменением концентрации носителей заряда вследствие поглощения квантов света. Тогда мы можем записать:

темновая проводимость (проводимость без освещения):

σт = nn + pp

фотопроводимость (проводимость, вызванная освещением):

σф = eμnΔn + eμpΔp (11)

полная проводимость полупроводника при освещении:

σ = σт + σф = eμn(n + Δn) + eμp(p + Δp). (12)


Изменение концентрации носителей заряда во времени определяется уравнением непрерывности:

для электронов: n/∂t = - div(jn/e) + Gn – Δnn (13)

ток ген-ия реком-ия

где: Gn – скорость генерации электронов;

Δn – избыточная концентрация носителей заряда;

jn - плотность тока.

Для дырок – аналогичное уравнение.


Если через полупроводник не протекает ток (jn = 0), то:

n/∂t = Gn – Δnn (14).

А в стационарном случае (∂n/∂t = 0), имеем:

Gn = Δn/τn.

Тогда избыточная концентрация носителей заряда в стационарном случае будет равна:

Δn = Gnn. (15)

Скорость генерации при освещении полупроводника определяется количеством фотонов, при поглощении которых образовались свободные носители заряда:

Gn = F·α·η (эта) (16)


где: F – поток фотонов, проникших в образец (без учета отражения F=F0(1-R)

α – коэффициент оптического поглощения;

η – квантовый выход, представляющий собой отношение числа генерированных свободных носителей заряда к числу поглощенных квантов света.

С учетом выражения для скорости генерации избыточная концентрация электронов будет равна:

Δn = F·α·η·τ (17),

а плотность тока, вызванного этими носителями заряда можно записать в виде:

jф = e·Δn·V = e·Δn·μ·E = e·F·α·η·τ·μ·E, (18)

где: V – скорость движения носителей заряда,

Е – напряженность электрического поля.

С другой стороны, мы можем записать плотность тока исходя из закона Ома:

jф = σф · E. (19)

Приравняв выражения (18) и (19), мы получим выражение для фотопроводимости (проводимости, вызванной фотогенерированными носителями заряда):

σф = e·F·α·η·τ·μ. (20)

η·τ·μ

Из эксперимента известно, что произведение η·τ·μ слабо зависит от энергии фотонов в широком интервале энергий. Поэтому при анализе спектральных зависимостей фотопроводимости выражение (20) часто записывают в виде:

0.1Еоптопт hω σф = const·α·F. (21)

Как следует из выражения (20), стационарная фотопроводимость зависит от четырех факторов:

  1. От интенсивности падающего излучения:σф = f (F).

  2. От спектральной характеристики излучения: σф = f (α), α = f (λ).

  3. От температуры: σф = f (α,μ,τ), α,μ,τ = f (T).

  4. От напряженности электрического поля в образце: σф = f (η), а квантовый выход η = f (E).

Рассмотрим эти зависимости.


Зависимость от интенсивности светового потока

Эксперимент показывает, что при малых интенсивностях излучения фототок (а, следовательно, и фотопроводимость) прямо пропорциональны интенсивности излучения (потоку фотонов), как следует из выражения (20).

Однако при высоких интенсивностях светового потока рассматриваемая зависимость отклоняется от линейной и приобретает вид:

σф = А·Fn, (22)

где n = 0,5 – 1,0. lgIф

Соответственно, зависимость фототока n<1

от потока фотонов в двойном логарифмическом

масштабе имеет следующий вид: n=1

lg F

Почему же при высоких интенсивностях

светового потока перестает выполняться полученное нами выражение для фотопроводимости?

Дело в том, что при высоких интенсивностях светового потока концентрация фотогенерированных носителей заряда становится достаточно большой (существенно больше концентрации равновесных, «темновых» носителей заряда Δn >> n). Это приводит к увеличению скорости рекомбинации фотогенерированных носителей заряда и к снижению, вследствие этого, их времени жизни. Таким образом, в выражении (20) (σф = e·F·α·η·τ·μ) время жизни носителей заряда также становится функцией светового потока τ = f (F). Этим и объясняется отклонение рассматриваемой зависимости от линейного закона.


λ Зависимость от длины волны излучения

l lgσф

Экспериментальная зависимость

фотопроводимости от длины волны

излучения (или от энергии квантов)

выглядит следующим образом. На этом

же рисунке я изобразил спектральную

зависимость коэффициента оптического

поглощения. Как видно из рисунка,

зависимость lgσф() можно разделить

на два участка.

В области малых энергий фотонов

(в области оптической ширины запрещенной зоны) зависимость фотопроводимости от длины волны излучения повторяет спектральную зависимость коэффициента оптического поглощения α(λ), что находится в соответствии с выражением (20).

Однако, при некотором значении коэффициента оптического поглощения α все фотоны поглощаются в образце. Поэтому рост фотопроводимости при дальнейшем увеличении энергии фотонов прекращается, несмотря на увеличение коэффициента оптического поглощения. При этом разумно было бы предположить, что фотопроводимость должна оставаться постоянной с увеличением энергии фотонов (пунктирная линия на рисунке). Однако, с ростом энергии фотонов фотопроводимость падает!

С чем связано уменьшение фотопроводимости при больших энергиях фотонов?

Чем больше энергия фотона, тем больше его коэффициент

1 поглощения. Следовательно, тем ближе к поверхности этот

2 фотон поглотится. Таким образом, фотоны с большой

3 энергией будут поглощаться у самой поверхности образца.

Но поверхность – это высокая концентрация дефектов.

ω321 Поэтому у носителей заряда, образовавшихся у поверхности, вероятность рекомбинации существенно выше. Эта рекомбинация на поверхностных дефектах и приводит к уменьшению фотопроводимости.

Надо отметить, что рассмотренный эффект сильнее проявляется в кристаллах, где концентрация дефектов в объеме существенно меньше, по сравнению с некристаллическими полупроводниками.

Зависимость от температуры


Как следует из формулы (20) (sф = е F a h t m), температурная зависимость фотопроводимости определяется температурными зависимостями:

  • коэффициента оптического поглощения a (ширина запрещенной зоны);

  • времени жизни носителей заряда t;

  • подвижности носителей заряда m .

Причем, если в образце присутствует сильное электрическое поле, что, как правило, реализуется в приборах, мы должны рассматривать дрейфовую подвижность m д. lg mд lg sф

Из перечисленных выше параметров

наиболее сильную зависимость от

температуры имеет дрейфовая подвижность-

она растет с увеличением температуры:

В этой ситуации естественно, что

температурная зависимость

фотопроводимости определяется

температурной зависимостью дрейфовой 1/Т

подвижности, то есть фотопроводимость также растет с увеличением температуры.

Действительно, такой вид зависимости sф (Т) наблюдается в ряде некристаллических полупроводников, например, в гидрогенизированном аморфном кремнии.


Вместе с тем, во многих некристаллических полупроводниках, например, в халькогенидных стеклообразных полупроводниках, температурная зависимость фотопроводимости принципиально отличается от приведенной выше и имеет следующий вид: lg s

Здесь sт – темновая проводимость.

На первом участке, где фотопроводимость

по абсолютной величине превышает темновую

проводимость (sф > sт ), фотопроводимость растет

с увеличением температуры также как и в первом

случае. Однако, когда темновая проводимость

становится больше фотопроводимости (sт > sф),

фотопроводимость падает с ростом температуры.

Для того, чтобы понять эти различия

вспомним, какие параметры определяют

температурную зависимость фотопроводимости: 1/Т

a , m , t = f (T).

Температурную зависимость дрейфовой подвижности мы уже учли.



Температурная зависимость коэффициента оптического поглощения α определяется температурной зависимостью ширины запрещенной зоны. Характер этой зависимости одинаков для всех полупроводников: с увеличением температуры ширина запрещенной зоны уменьшается. Следовательно, коэффициент оптического поглощения (в области края фундаментального поглощения – область В) с увеличением температуры увеличивается. Таким образом, объяснить уменьшение фотопроводимости с ростом температуры на основе этой зависимости не представляется возможным.

Остается температурная зависимость времени жизни неравновесных носителей заряда.


Случайные файлы

Файл
96474.rtf
36792.rtf
36320.rtf
141174.rtf
24942-1.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.