Фотопроводимость

Реферат

по дисциплине «Физика твердого тела» 

На тему  

« Фотопроводимость » 
 
 
 
 
 
 
 

         Выполнил:

    Заочное отделение

  Преподаватель: 
 
 
 

Санкт-Петербург 

    Введение 

    Фотопроводимость - процесс возбуждения электронов электросветочувствительного материала квантами электромагнитного излучения - фотонами. Освобождение электронов имеет своим следствием то, что материал получает некоторую добавочную электропроводность, называемую фотопроводимостью. Сам материал, обладающий фотопроводимостью, нередко называют фотополупроводником. Физический процесс внутреннего освобождения электронов под действием света носит название внутреннего фотоэффекта. 

    Фотопроводимость, как и многие другие выдающиеся открытия, была обнаружена случайно. В 1873 г. английский электротехник Уиллогби Смит производил испытания подводного кабеля. Для какой-то цели ему понадобился материал, обладающий высоким сопротивлением. Был выбран селен - химический элемент VI группы периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907). Элемент этот был открыт в 1817 году знаменитым шведским химиком Иенсом Якобом Берцелиусом (1779-1848).

    Во время  экспериментов, проводимых Уиллогби Смитом и его ассистентом Меем было обнаружено, что на свету электропроводность селена возрастает.

    Впоследствии  было установлено, что фотопроводимостью  обладают многие вещества. Первые попытки  практического применения этого  явления были предприняты в конце XIX столетия. Однако более или менее  широкое внедрение фотополупроводников  в народное хозяйство началось лишь в середине XX в.

    Основной  областью практического применения фотопроводимости стала фотоэлектронная  автоматика. Фотополупроводники в виде фотосопротивлений начали широко использоваться при автоматизации производственных процессов для контролирования  правильности и последовательности проведения отдельных операций, для  своевременной сигнализации о характере  проведения производственного процесса, для сортировки изделий по их размеру  и окраске и т.д. Внешний и  внутренний фотоэффект использовались и для записи звука.

    Применение  фотоэлектрических устройств для развертки изображений позволило осуществить в 1950-х годах передачу изображений на расстояние, автоматическое цветоделение и цветокоррекцию, а также фотоэлектрическое изготовление печатных форм. Отсюда уже недалеко до электрофотографии, в которой осуществляется фотоэлектрическое воспроизведение не отдельных строк развертки, а сразу всего изображения.

    Фотопроводимость полупроводников - увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения - может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае, при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника, т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (ћν >ΔE), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.1а), что приводит к появлению добавочных (неравновесных) электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как электронами, так и дырками.

    Обратный  процесс есть прямая рекомбинация свободный  электрон – свободная дырка. 

    Рис. 1  

    Если  полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать  и при ћν <ΔE: для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией ћν >ΔE_D, а для полупроводников с акцепторной примесью - ћν >ΔE_А. При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n-типа (рис.1 б) или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (рис.1 в). В результате возникает примесная монополярная фотопроводимость, являющаяся чисто электронной для полупроводников n-типа и чисто дырочной для полупроводников р-типа. При достаточном увеличении ћν фотопроводимость становится биполярной.

    Для каждого  полупроводника существует красная граница фотопроводимости, т.е. максимальная длинна волны, при которой свет является еще фотоэлектрически активным: 

    λ =

    Для чистых полупроводников энергия активации E лежит в пределах 1-3 эВ. Для них красная граница фотопроводимости приходится на видимую часть спектра. Многие примесные полупроводники имеют E порядка десятых и даже сотых долей электроно-вольтов. Красная граница фотопроводимости для них лежит в инфракрасной области спектра. 

    На рис.2 представлена схематическая кривая зависимости коэффициента поглощения света γ от длинны световой волны λ для полупроводника имеющего два примесных уровня.  

    Рис. 2

    Спектр  поглощения такого полупроводника имеет  три полосы поглощения – полосу собственного поглощения 1, отвечающую перебросу электронов под действием света из валентной зоны в зону проводимости, и две полосы (2 и 3) примесного поглощения. Они отвечают перебросу электронов с примесных уровней в зону проводимости.

    Свет  с длинной волны λ < λ₀ = практически полностью поглощается у самой поверхности в слое толщиной x ≈ 10^-6 м; коэффициент поглощения для него γ ≈ 10⁶ м^-1. Коэффициент примесного поглощения зависит от концентрации примесных спектров, но обычно намного превышает величину γ = 10³ м^-1. Чем меньше энергия активации примеси, тем больше граничная длинна волны примесной проводимости. 

    Примесный фотоэффект возможен, очевидно, лишь в том случае, если примесные уровни заполнены электронами, т.е. если полупроводник находится при температуре ниже температуры истощения примеси Т_э. Поэтому для наблюдения примесной фотопроводимости полупроводники необходимо, как правило, охлаждать, причем до тем более низких температур, чем больше их граничная длинна волны. Так, германий, легированный золотом, имеет λ_п = 9 мкм и требует охлаждения жидким азотом ( Т = 78 К); германий же легированный примесями III или V групп таблицы Менделеева, имеет λп = 100 мкм и требует охлаждения жидким гелием (Т = 4,2 К). 

    Оптическая  генерация электронов и дырок обязательно сопровождается дополнительным поглощением света. Целесообразно различать собственное поглощение света, наблюдаемое при ћω >ΔE и связанное с электронными переходами зона-зона и образованием пар, и примесное поглощение, связанное с возбуждением электронов и дырок с примесных уровней в зоны. Поглощение в собственной полосе частот обычно на много порядков больше поглощения в примесной области.

    Темп  оптической генерации связан с коэффициентом  поглощения света. Пусть I(x) есть монохроматический световой поток, рассчитанный на единицу поверхности, на расстоянии x от освещаемой поверхности полупроводника (эту велечину мы будем называть интенсивностью света и измерять числом фотонов, проходящих через единицу поверхности в единицу времени, а γ – коэффициент  поглощения (интенсивности) света. Тогда число фотонов, поглощаемых в единицу времени в слое с единичной площадью, расположенном между плоскостями x и x + dx, есть –dI = I(x) ∙ γdx. А следовательно, число поглощенных фотонов, рассчитанное на единицу времени и единицу объема, равно I(x) ∙ γ. Поэтому темп оптической генерации g можно представить в виде: 
 
 

    Здесь β – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, равный числу носителей (или – в случае собственной генерации – числу пар носителей), рождаемых в среднем одним поглощенным фотоном. Квантовый выход может быть большим единицы, если при поглощении одного фотона высокой энергии возникает две или более электронно-дырочных пар. Обычно, однако, квантовый выход меньше единицы, поскольку часть фотонов поглощается либо непосредственно при взаимодействии с колебаниями решетки, либо свободными носителями заряда в зонах без образования новых электронов и дырок.

    В общем  случае g различно в разных точках полупроводника (неоднородная генерация). Однако если γd 1 (где d – толщина пластинки), то  I(x) const  (слабо поглощаемый свет) и g можно считать постоянным по объему (однородная генерация).

    Изменение проводимости полупроводника обусловлено тем, что при освещении изменяются как концентрации электронов и дырок, так и их подвижности. Однако относительное влияние обеих этих причин может быть весьма различным. Действительно, возникающая в результате поглощения фотона пара электрон-дырка получает некоторый квазиимпульс и энергию (ћν- E). Пусть, для простоты, энергия передается только из фотоносителей, скажем электрону (что имеет место при сильном отличии масс m_n и m_p). Эта избыточная энергия затем растрачивается в следствие взаимодействия фотоэлектрона с решеткой, и через некоторое время, порядка времени релаксации энергии τ_E, средняя энергия фотоэлектронов принимает значение, соответствующее температуре решетки. Аналогично, равновесное распределение квазиимпульса фотоэлектронов устанавливается за время порядка времени релаксации импульса  τ_P (причем обычно τ_P τ_E).

    Если τ_P T_n, где T_n -время существования фотоэлектрона в зоне, то фотоэлектроны успевают «термолизоваться», т.е. приобрести такое же распределение по энергиям и квазиимпульсам, как и равновесные электроны. В этом случае подвижности не изменяются, а фотопроводимость обусловлена только изменением концентрации электронов и дырок и равна: 
 
 

    Если, напротив, τ_P T_n, то за время своего существования фотоэлектроны не успевают термолизоваться и при освещении изменяются и концентрации фотоносителей, и их подвижности.

    Влияние изменения подвижности проявляется  обычно лишь при низких температурах (как правило при водородных или гелиевых). 

    При отсутствии рекомбинации число избыточных носителей  непрерывно возрастало бы с течением времени. Вследствие же рекомбинации, скорость которой растет с увеличением концентрации избыточных носителей, в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорость генерации равна скорости их рекомбинации: 
 
 

    Этому состоянию отвечает постоянная (стационарная) концентрация избыточных носителей , равная 
 
 

    Так как  избыточные носители имеют практически  такую же подвижность, какой обладают равновесные носители, то стационарная (установившаяся) фотопроводимость полупроводника будет равна 
 
 

    Отсюда  видно, что стационарная фотопроводимость полупроводника, а следовательно, и фоточувствительность полупроводниковых приемников излучения пропорциональны времени жизни избыточных носителей заряда. С этой точки зрения выгодно стремиться к получению максимально высоких значений . Однако при этом может существенно увеличиваться инерционность фотоприемников. 

    Действительно, рассмотрим, например, характер спада  фотопроводимости полупроводника после  выключения источника света  (рис. 3). 

    Рис. 3 
 
 

    Вследствие  протекания процесса рекомбинации концентрация избыточных носителей убывает по закону 
 
 

    По такому же закону будет происходить и  спад фотопроводимости проводника (кривая BC): 
 
 

    Из формулы  видно, что чем больше время жизни избыточных носителей, тем медленнее происходит спад фотопроводимости, следовательно, тем более инерционным будет фотоприемник излучения.

    Легко показать, что касательная, проведенная  к кривой спада фотопроводимости в точке t₀  отсекает на оси времени отрезок, численно равный - время жизни избыточных носителей. Этим методом часто пользуются для экспериментального определения .

    На рис. 3 показан также и характер нарастания фотопроводимости полупроводника после  включения светового импульса (кривая OB). Рост фотопроводимости происходит плавно и достигает стационарного значения лишь по истечении некоторого промежутка времени. И в этом случае касательная, проведенная к кривой   в начале координат, отсекает на прямой AB отрезок, численно равный . 

    Ранее не учитывалось влияние ловушек  захвата. Заполнение последних может затягивать процесс нарастания Δn при включении освещения. В частности, при включении света может наблюдаться S-образное нарастание Δn (рис. 4). 

    Рис. 4 

    Пусть есть концентрация ловушек захвата, которые способны захватывать и затем в течение времени θ удерживать носитель заряда. Если , то ловушка на протяжении времени жизни неравновесного электрона способна захватить его неоднократно. Такие ловушки составляют α-тип. Если же , то ловушка может захватить электрон не более одного раза. В последнем случае ловушки обозначают как β-тип. Если ловушки свободны, то в первый момент они будут захватывать электроны, уменьшая скорость нарастания Δn и затягивая время нарастания. Начальный этап нарастания и спада с определяется величиной θ в случае α-ловушек и τ_n - в случае β-ловушек. Но по мере насыщения или опустошения ловушек их роль в изменении Δn уменьшается.

    Если  построить зависимость фотоотклика от энергии фотонов или длинны поглощаемой световой волны, то получаются сложные кривые, которые в области примесного поглощения зависят от наличия примесей.

    Так, на рис. 5 приведены две кривые спектральной зависимости фотопроводимости (фотоотклика, отложенного по оси ординат в произвольных единицах) для германия легированного медью и цинком. 
 

    Рис. 5 

    В области  собственного поглощения (левая часть  рисунка) кривые совпадают, а в примесной  области – сильно различаются.  
 
 
 

    На рис. 6 приведены спектры фотопроводимости в области собственного поглощения для ряда полупроводников при разных температурах. 

    Рис. 6 

    Если  спектр собственного поглощения, круто  нарастая со стороны его длинноволновой границы, может иметь постоянное или нарастающее значение α при  последующем уменьшении длины волны  в достаточно широком диапазоне, то после прохождения длинноволновой границы собственного поглощения внутренний фотоэффект достигает максимума и затем быстро уменьшается, хотя интервал длин волн продолжает соответствовать собственному поглощению. Здесь сказывается фактическое уменьшение скорости генерации по мере углубления в объем ввиду сильного поглощения света поверхностными слоями. Поэтому вид кривых зависит от размеров образца. 
 

    Светочувствительность является характеристикой полупроводника и определяется как отношение фотопроводимости к интенсивности света. Так что если в качестве фотопроводимости использовать стационарную , то 
 
 

    Экситоны. При возбуждении фотопроводимости электроны из валентной зоны перебрасываются в зону проводимости и становятся свободными. Однако возможно и иное течение процесса, когда возбужденный электрон не разрывает связи с дыркой, возникающей в валентной зоне, а образует с ней единую связанную систему. Такая система названа Я.И. Френкелем экситоном. Экситон сходен с возбужденным атомом водорода: в обоих случаях около единичного положительного заряда движется электрон и энергетический спектр является дискретным (рис. 7) 

    Рис. 7 

    Уровни  энергии экситонов располагаются  у дна зоны проводимости. Так как  экситоны являются электрически нейтральными системами, то возникновение их в  полупроводнике не приводит к появлению  дополнительных носителей заряда, в следствие чего поглощение света не сопровождается увеличением проводимости полупроводника. В настоящее время предполагается, что экситоны возникают и при фотоэлектрически активном поглощении света. Возникнув, они некоторое время блуждают по объему полупроводника. При столкновении с фононами, примесными центрами и другими несовершенствами решетки экситоны или рекомбинируют, или «разрываются». В первом случае возбужденные атомы переходят в нормальное состояние, а энергия возбуждения передается узлам решетки или излучается в виде квантов света (люминисценция). Во втором случае образуется пара носителей электрон и дырка. Они обуславливают фотопроводимость полупроводника.

    Фоторезисторы

    Фоторезисторами называют полупроводниковые приборы, проводимость которых меняется под  действием света.

    Конструкция монокристаллического и пленочного фоторезисторов показана на рис. 8, 9. Основным элементом фоторезистора является в первом случае монокристалл, а во втором – тонкая пленка полупроводникового материала. 

    Рис. 8. Монокристаллический фоторезистор 

    Рис. 9. Пленочный фоторезистор 

    Если  фоторезистор включен последовательно с источником напряжения (рис. 10) и не освещен, то в его цепи будет протекать темновой ток 

    Iт = E / (Rт + Rн) 

    где Е – э. д. с. источника питания; Rт – величина электрического сопротивления фоторезистора в темноте, называемая темновым сопротивлением; Rн – сопротивление нагрузки. 

    Рис.10. Схема включения для измерения  параметров и характреристик фоторезистора 

    При освещении  фоторезистора энергия фотонов  расходуется на перевод электронов в зону проводимости. Количество свободных  электронно-дырочных пар возрастает, сопротивление фоторезистора падает и через него течет световой ток 

    Iс = E / (Rс + Rн) 

    Разность  между световым и темновым током дает значение тока Iф, получившего название первичного фототока проводимости 

    Iф = Iс – Iт 

    Когда лучистый поток мал, первичный фототок  проводимости практически безынерционен и изменяется прямо пропорционально величине лучистого потока, падающего на фоторезистор. По мере возрастания величины лучистого потока увеличивается число электронов проводимости. Двигаясь внутри вещества, электроны сталкиваются с атомами, ионизируют их и создают дополнительный поток электрических зарядов, получивший название вторичного фототока проводимости. Увеличение числа ионизированных атомов тормозит движение электронов проводимости. В результате этого изменения фототока запаздывают во времени относительно изменений светового потока, что определяет некоторую инерционность фоторезистора. 

    Применение  фоторезисторов

    В последние  годы фоторезисторы широко применяются  во многих отраслях науки и техники. Это объясняется их высокой чувствительностью, простотой конструкции, малыми габаритами и значительной допустимой мощностью  рассеяния. Значительный интерес представляет использование фоторезисторов в  оптоэлектронике. 

     Фотодетектор

    Регистрация оптического излучения

    Для регистрации  оптического излучения его световую энергию обычно преобразуют в  электрический сигнал, который затем  измеряют обычным способом. При этом преобразовании обычно используют следующие  физические явления:

    – генерацию  подвижных носителей в твердотельных  фотопроводящих детекторах;

    – изменение  температуры термопар при поглощении излучения, приводящее к изменению  термо-э. д. с.;

    – эмиссию  свободных электронов в результате фотоэлектрического эффекта с фоточувствительных пленок.

    Наиболее  важными типами оптических детекторов являются следующие устройства:

    – фотоумножитель;

    – полупроводниковый  фоторезистор;

    – фотодиод;

    – лавинный фотодиод. 

    Полупроводниковый фотодетектор

    Схема полупроводникового фотодетектора приведена на рис. 11: 

    Рис. 11. Типовая схема включения детектора  с фотосопротивлением. 

    Полупроводниковый кристалл последовательно соединен с резистором R и источником постоянного напряжения V. Оптическая волна, которую нужно зарегистрировать, падает на кристалл и поглощается им, возбуждая при этом электроны в зону проводимости (или в полупроводниках p-типа – дырки в валентную зону). Такое возбуждение приводит к уменьшению сопротивления Rd полупроводникового кристалла и, следовательно, к увеличению падения напряжения на сопротивлении R, которое при DRd / Rd пропорционально плотности падающего потока.  
 

    Выбирая примеси с меньшей энергией ионизации, можно обнаружить фотоны с более  низкой энергией. Существующие полупроводниковые  фотодетекторы обычно работают на длинах волн вплоть до 1 » 32 мкм.

    Из сказанного следует, что главным преимуществом  полупроводниковых фотодетекторов, является их способность регистрировать длинноволновое излучение, поскольку создание подвижных носителей в них не связано с преодолением значительного поверхностного потенциального барьера. Недостатком же их является небольшое усиление по току. Кроме того, для того чтобы фотовозбуждение носителей не маскировалось тепловым возбуждением, полупроводниковые фотодетекторы приходится охлаждать. 

    Электрография