Внутренний фотоэффект в полупроводниках (110,00 руб.)

Стр.1

Стр.3

Стр.6

Стр.7

Стр.8

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ Учебно-методическое пособие для вузов Составители: Л.Н. Владимирова, Е.Н. Бормонтов, Е.Н. Берло Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета 2009

Стр.1

Т Е О Р Е Т И Ч Е С К А Я Ч А С Т Ь ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ОДНОРОДНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРИСТАЛЛАХ Фотоэлектрические эффекты (фотоэффекты) связаны с изменениями электрических свойств полупроводников под воздействием электромагнитного излучения. В кристаллах может наблюдаться как внешний, так и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект определяется эмиссией электронов из вещества в вакуум под действием квантов света. Эмиттированные электроны затем могут быть собраны анодом. На этом явлении основан принцип действия таких приборов, как вакуумные фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, электронно-оптические преобразователи и т. д. В случае внутренних фотоэффектов носитель заряда (электрон или дырка) под воздействием кванта света не выходит из полупроводника, а лишь переходит в более высокое энергетическое состояние (например, из валентной зоны в зону проводимости). При этом первичным процессом является поглощение фотона (собственное, решеточное, примесное, экситонное, поглощение свободными носителями заряда). Однако не все механизмы поглощения в одинаковой мере приводят к изменению электрических свойств кристаллов. Действительно, удельная электрическая проводимость =+ e () np np зависит от концентрации и подвижности свободных носителей заряда. Из указанных процессов поглощения только собственное и примесное поглощения приводят непосредственно к изменению концентрации свободных носителей заряда, так как они обусловлены переходами электронов (дырок) под действием квантов света из основного состояния в свободное. Именно эти процессы поглощения дают наибольший вклад в фотоэффект и называются фотоэлектрически активными. 3 mm s

Стр.3

Рассмотрим уравнение непрерывности (1) при условии j В стационарном состоянии == и уравнения (1) и (1а) имеют dt dn dp dt простое и наглядное решение: pСТ nСТ 0 0, D = -=p pGpp D = -= , n nGnn 0 (5) (5а) где Gp и Gn – скорости генерации дырок и электронов соответственно. Таким образом, в отсутствие тока через образец стационарная концентрация избыточных носителей заряда равна числу носителей, освобождаемых светом в единицу времени в единице объема, умноженному на среднее время их существования в зоне до рекомбинации (время жизни). Выражения (5) и (5а) носят название первого характеристического соотношения для фоторезистивного эффекта. Поскольку величина фотопроводимости D СТ = e где b = p n p ( pСТ D + D =+ (6) b nСТ ) e Gp p p ( bGnn), , то первое характеристическое соотношение фактически определяет зависимость стационарной фотопроводимости от длины волны падающего света (λ) (область спектра) и его интенсивности (J) через Скорость генерации зависит от G( , )J и и J непосредственно, а ( , )J . – посредством зависимости времени жизни от избыточной концентрации, которая в свою очередь зависит от скорости генерации. Скорость генерации G определяется интенсивностью света J и коэффициентом поглощения . Пусть на единицу поверхности слоя вещества толщиной dz, имеющего коэффициент поглощения гии, поглощаемой в единицу времени в единице объема этого вещества, будет . -= J dz dJ 6 (7) , падает свет интенсивности J. Тогда количество световой энерr p = » 0n r j . t t tt m l a m s mm a a l tl t

Стр.6

Следовательно, количество избыточных электронов и дырок, которое образуется при поглощении квантов света с энергией h в единице объема полупроводника в единицу времени для области собственного поглощения, называемое скоростью генерации, будет равно: G = J h Коэффициент пропорциональности . (8) обычно называют квантовым выходом фотоэффекта. Он определяет число пар носителей заряда (или число носителей заряда при примесной фотопроводимости), образуемых одним поглощенным фотоном. С учетом соотношения (8) выражение (6) для стационарной фотопроводимости запишется следующим образом: D =+TC () . h e J n n pp ляет удельную фоточувствительность полупроводника . SФ = D J (9) Отношение фотопроводимости D к интенсивности света J опреде(10) Если один из членов в скобках соотношения (9) значительно больше другого, то фотопроводимость определяется носителями заряда одного знака, и ее называют монополярной. В этом случае D=e CT иметь вид: jФ () . h = D =+CTEe 7 JE n n pp (12) J h . (11) Выражение для стационарного значения плотности фототока будет w ba w b mt b s am t s s batm w s b s am t w mt w

Стр.7

V – дрейфовую скорость, то Если через l обозначить размер образца в направлении поля и через pE V= p , n электронов и дырок через образец будут t = E = l p p t = l nE V= n , а времена дрейфа l l n E и t p = Vp = l p E . Тогда, выразив значение напряженности поля через времена дрейфа n n t и подставив это значение E в (12), получим: () . je водника S и учтем, что j S J= Ф Ф Ф=+ n p np Jl tt h (13) Умножим выражение (13) на площадь поперечного сечения полупроS l V=× есть объем полупроводника, а – фототок. Тогда выражение для фототока можно записать () . Je Величина A=+ n () p tt np носит название коэффициента усиления. Выражение для фототока (14) называется вторым характеристическим соотношением для фоторезистивного эффекта. Если, кроме , все величины, входящие в (14), известны, то, измеряя ФJ , можно определить квантовый выход. Пусть теперь полупроводник освещается импульсом света, как это показано на рис. 2а. В этом случае при включении света стационарное значение фотопроводимости достигается не мгновенно, а лишь через некоторое время после начала освещения. Аналогично при выключении света не8 (15) Ф=+ n p np JV tt h (14) m m m m t t ba m m t ba t t t w w b

Стр.8