Фотоэлектрические явления в полупроводниках



Процесс образования дополнительных свободных носителей заряда в полупроводнике (фотоносителей) под действием оптического излучения называется внутренним фотоэффектом.

Внутренний фотоэффект бывает фоторезистивным (фотопроводимости) и фотогальваническим.

Фоторезистивный эффект – это изменение электросопротивления полупроводника под воздействием оптического излучения, но не связанное с его нагреванием. Фоторезистивный эффект возникает в полупроводнике, если происходит либо собственное поглощение фотонов с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение с образованием носителей одного знака при возбуждении атомов примеси. В результате растет концентрация носителей заряда и уменьшается сопротивление полупроводника.

При облучении полупроводника в нем одновременно происходят процессы генерации неравновесных носителей и их рекомбинация. Через некоторое время после начала облучения устанавливается динамическое равновесие, при котором избыточная концентрация электронов, например, определяется

 

 

где: R – коэффициент отражения фотонов; - показатель поглощения; h - квантовая эффективность генерации, т.е. отношение числа возникших пар носителей при поглощении ( или числа носителей при примесном поглощении) к числу поглощенных фотонов; Nф – число фотонов, падающих на единичную поверхность полупроводника в единицу времени ( находится как отношение мощности падающего на единичную поверхность излучения к энергии одного фотона );  - время жизни неравновесных носителей заряда.

    Фотогальванический эффект проявляется даже при освещении поверхности полупроводника хорошо поглощаемым светом. Основное поглощение происходит в поверхностном слое, поэтому здесь же возникает избыточная концентрация электронов и дырок, которые диффундируют вглубь полупроводника (рис.5). Поскольку коэффициент диффузии электронов значительно больше коэффициента диффузии дырок, то электроны опережают дырки и происходит разделение зарядов – поверхность полупроводника заряжается положительно, а объем - отрицательно. Таким образом при освещении полупроводника возникает электрическое поле или ЭДС называемая ЭДС Дембера. Возникшее поле будет тормозить электроны и ускорять дырки, поэтому через некоторое время после начала освещения установится динамическое равновесие в процессе диффузии носителей заряда. При этом напряженность электрического поля будет пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда.  

    Фотогальванический эффект возникает и в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером (с p – n переходом, с переходом металл – полупроводник, с гетеропереходом). Внутреннее электрическое поле перехода разделяет генерированные излучением фотоносители. Пространственно разделенные фотоносители разных знаков – дырки и электроны – создают фото ЭДС.

    Рассмотрим процесс образования фотоносителей при облучении полупроводника потоком фотонов. Собственное поглощение в полупроводниках ( процесс 1 на рис.6) обычно значительно интенсивнее, чем примесное поглощение (2 и 3 на рис.6), поскольку концентрация примесных атомов мала и большинство из них уже ионизированны при достаточно низких температурах. Поэтому фотопроводимость полупроводника существует, в основном, за счет собственных фотоносителей.

    Чтобы световой фотон мог создать фотоносители, должны выполняться следующие энергетические соотношения:

 

                                    (2.4)  

                                           

где: eф1 и eф2 - энергии фотона в процессах 1 и 2 на рис.6, ЕС, Еu, Еt  - энергии дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и примесного уровня.

    Следовательно, собственный фотоэффект возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длинной волны, меньшей некоторого значения:

                               

                                          (2.5)

 

где: с – скорость света; - ширина запрещенной зоны в эВ; - длинноволновая граница спектральной чувствительности полупроводника в мкм. Для кремния, германия, арсенида галлия, сернистого и селенистого кадмия  равны, соответственно: 1,1; 1,8; 0,9; 0,7; 0,8 мкм. Собственный фотоэффект возможен лишь при длине волны излучения .

 

Излучающие ОЭПП

Механизм генерации излучения

Основные материалы излучающих ОЭПП (GaAs и тройные соединения на его основе GaAlAs, GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам, в которых разрешены прямые оптические переходы (типа 1 на рис. 3б). Каждый акт рекомбинации при таком переходе сопровождается излучением фотона с длиной волны:

 

                                                      (2.6)

где: - длина волны в мкм; - ширина запрещенной зоны в эВ. Участие третьих частиц при таких переходах не требуется, т.к. импульс частиц сохраняется, поэтому вероятность прямых оптических переходов высока и эффективность люминесценции в прямозонных полупроводниках тоже высока.

    Чтобы излучатель работал в области видимого излучения ( = 0,38...0,78 мкм), необходимы полупроводники с = 1,5…3,0 эВ (из (2.6)). Это условие сразу исключает применение германия и кремния для излучающих ОЭПП.

    В полупроводниках генерация оптического излучения обычно обеспечивается инжекционной электролюминесценцией. Это генерация оптического излучения в p – n переходе, включающая два этапа: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию. Инжекция обеспечивает создание неравновесных носителей заряда.

 


Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 286; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!