3. Вътрешен фотоефект в хомогенни полупроводници.
Измерете коефициента на Хол и електрическата проводимост на полупроводник при стайна температура. Определете вида на носителите на заряд, тяхната концентрация и подвижността на Хол.
Измерете зависимостта на коефициента на Хол от големината на индукцията на магнитното поле.
Измерете зависимостта на коефициента на Хол от температурата на пробата и определете ширината на забранената зона на полупроводника от зависимостта
По-подробни инструкции за изпълнение на работата се съдържат в отделна папка "Изследване на ефекта на Хол в полупроводниците".
1) Цидилковски I.M. Електрони и дупки в полупроводници (енергиен спектър и динамика), М., Наука, 1972 г.
3. Вътрешен фотоефект в хомогенни полупроводници.
Вътрешен фотоелектричен ефекте промяна в електрическата проводимост на полупроводниците под действието на светлина.
Феноменът на вътрешния фотоелектричен ефект е открит през 1873 г. от английския инженер У. Смит. Тя получи обяснение едва след създаването на квантовата теория на твърдите тела. Понастоящем това явление се използва широко за създаване на електронни устройства -полупроводникови фотодетектори.
Преди да разгледаме физическите процеси, които се случват по време на вътрешния фотоелектричен ефект, нека дефинираме основните понятия.
Хомогенен полупроводник ще се счита за полупроводник със собствена или примесна проводимост, а примесите са равномерно разпределени в обема и имат една и съща химическа природа. С други думи, пробата не съдържа т.нар.p–nпреходи.Полупроводниковите фотодетектори, базирани на хомогенни полупроводници, се наричат фоторезистори.
При осветяване на полупроводник е възможно повишаване (нормален фотоефект) и много по-рядко намаляване на електрическата проводимост (аномален фотоефект). Като част отВ това ръководство ще разгледаме самонормалния фотоелектричен ефект.
При нормалния фотоелектричен ефект, проводимостта на пробата се увеличава с размера на фотопроводимостта
къдетоσ0е електропроводимостта на пробата при липса на осветяване, т.нар.тъмна проводимост.
Причината за появата на фотопроводимост е преди всичко промяна в концентрацията на носители на заряд порадифотогенерация.
Подвижността наμnелектроните иμpдупките се променят много малко при осветяване.
Фотогенерирането наизлишниносители на заряд може да възникне както поради абсорбцията на светлинни кванти от атомите на основното вещество(присъща фотопроводимост),така и поради процеси, в които участват атоми на примеси(примесна фотопроводимост).В първия случай (Фиг. 1а) електроните преминават от валентната лента към зоната на проводимост и в пробата се образуват излишни електрони и дупки. Във втория и третия случай (фиг. 1; b, c) електронът преминава или от запълнено донорно ниво към зоната на проводимост, или от валентната зона към празно акцепторно ниво. Тогава в полупроводника ще се появят излишни носители само с един знак - електрони (b) или дупки (c).
P
Процесите на фотойонизация на примесните центрове протичат при ниски температури, т.к при стайна температура центровете на примеси обикновено вече са йонизирани чрез нагряване на пробата.
Както в случай на присъща, така и в случай на примесна проводимост, праговото условиена червената граница на фотоелектричния ефект,т.е. енергията на светлинния квант трябва да е по-голяма от някаква характерна енергия,
INВ случай на присъща фотопроводимост, тази енергия е равна на забранената зона
а в случай на примес - йонизационната енергия на центъра на примеса
Тъй като електронната система на полупроводника, която е извън равновесие, има тенденция да се върне към него, тогава наред с процесите на фотогенериране на излишни носители,задължителноще се осъществят и процеси нарекомбинация(фиг. 1). По време на рекомбинацията се освобождава енергията, изразходвана за генериране. Може да се отделя като топлина (нерадиационна рекомбинация) или като радиация (радиационна рекомбинация). Радиационната рекомбинация е в основата на работата на полупроводникови източници на радиация, светодиоди и лазери (виж работа 4).
Като се вземат предвид два конкуриращи се процеса: фотогенерация и рекомбинация, може да се напише система от диференциални уравнения за концентрацията на излишни електрони и дупки
Скоростите на генериранена излишните носители трябва да бъдат пропорционални на броя на светлинните кванти, погълнати от полупроводника
ТукJе интензитетът на светлинния поток;
α- коефициент на поглъщане;
β-квантов добивна вътрешния фотоелектричен ефект, т.е. броят на електроните или дупките, които се появяват в пробата в резултат на поглъщането на един фотон в случай на примесна фотопроводимост, или броя на двойките електрон-дупка, които се появяват, когато един фотон се абсорбира в случай на присъща фотопроводимост. Обикновено стойносттаβ
Скоростите на рекомбинациятрябва да зависятсамоот свойствата насамия полупроводник.В най-обща форма, замеждулентовирекомбинацияможе да бъде написана
, (6)
къдетоn,pса концентрациите на електрони и дупки в осветения полупроводник;
γ– коефициент на пропорционалност.
. (7)
Този израз може да се опрости още повече, ако разгледаме два гранични случая - случаят на "слабо" и "силно" външно въздействие.
При слабо външно влияние,т.е. когато интензитетът на падащото лъчение върху пробата е нисък, концентрациите на фотогенерираните носители на заряд са значително по-ниски от техните "тъмни" концентрации th в уравнение 7, получаваме за скоросттаквадратичнарекомбинация
Когато осветлението е включено, излишната концентрация на носител вече ще се увеличи според закона
и при
При изключване на външно влияние
Следователно, в случай на междулентова квадратична рекомбинация, стационарната концентрация на генерирани от светлина носители, както и фотопроводимостта и фототокът, ще зависят от интензитета на светлинния поток като
Зависимостта на фототока (фотопроводимостта) от интензитета на светлинния поток (осветеността) е най-важната характеристика за една полупроводникова фотоклетка и се наричасветлиннаилилукс-ампернахарактеристика. Както следва от (13), (19), тази характеристика е линейна при ниска осветеност (в областта на линейна рекомбинация) и нелинейна в областта на високи интензитетисветлинен поток (фиг. 2).
Фиг.2. Зависимост на фототока от осветеността (лукс-амперна характеристика).
Тангенса на наклона на допирателната към кривата LAH върху нейния линеен участък
се наричаинтегрална чувствителност на фотоклетката.
Втората най-важна характеристикана фотоклетката е нейнатаспектрална чувствителност -зависимостта на фототока от дължината на вълната на падащото лъчение. Спектралната чувствителност има формата на крива с максимум, ограничен от страната на дългите вълни - дължината на вълната, съответстваща на червената граница на фотоелектричния ефект (виж f..3):
С намаляване на дължината на вълната фототокът първо рязко нараства, достига максимум и след това отново спада в областта на късите дължини на вълната (фиг. 3).
Намаляването на фототока в областта на късите вълни на спектъра се дължи на увеличаване на коефициента на поглъщане в тази област до стойности α = 10 3 -10 5 cm -1. Съответно дълбочината на проникване на светлината в полупроводника намалява до 10 -3 -10 -5 cm, т.е. цялата падаща радиация се абсорбира в тънък приповърхностен слой. И този слой винаги е богат на дефекти, което води до увеличаване на скоростта на рекомбинация (повърхностна рекомбинация) и, следователно, до намаляване на живота и намаляване на фоточувствителността. Наистина, областта на спектралната чувствителност може да бъде разширена до късовълновата страна на спектъра чрез извършване, например, на внимателно третиране на кристалната повърхност.
P