Генерационно рекомбинационный

Освещение полупроводника светом не приводит к бесконечному росту концентрации неравновесных носителей заряда, так как по мере роста концентрации свободных носителей и числа свободных мест на примесных уровнях растет вероятность рекомбинации. Наступает момент, когда рекомбинация уравновесит процесс генерации свободных носителей. Избыточная (неравновесная) удельная проводимость, равная разности удельных электрических проводимо-стей полупроводника при освещении у и в отсутствие освещения уо> называется удельной фотопроводимостью у$:

При уменьшении светового или инфракрасного потока от излучающего элемента сопротивление фоторезистора увеличивается за счет уменьшения генерации свободных носителей заряда, что приводит к снижению электрической проводимости полупроводниковой области фоторезистора. Напротив, при увеличении излучения сопротивление фоторезистора уменьшается, причем иногда в тысячи раз, за счет роста числа свободных носителей заряда. Таким образом, проводимость фоторезистора практически пропорциональна силе света излучателя.

Рекомбинация частиц сопровождается выделением энергии, которая может быть излучена в виде фотонов (излучателъная рекомбинация) или же воспринята кристаллической решеткой в виде фононов (безызлучателъная рекомбинация). Процессы рекомбинации зависят от ряда факторов: концентрации свободных частиц, характера их движения, наличия и концентрации примесей и других дефектов кристаллической структуры, состояния поверхности тела и др. Принято различать межзонную рекомбинацию, рекомбинацию через локальные уровни примесей ( рекомбинацион-ные ловушки}, поверхностную рекомбинацию и другие виды. Рас-смотрим основные виды генерации свободных носителей заряда и их рекомбинации.

Равновесное состояние. Процессы генерации свободных носителей и их рекомбинации протекают одновременно. При неизмен-

Неравновесное состояние. В результате внешнего воздействия (облучение светом, быстрый нагрев, бомбардировка частицами и т. д.) в некотором объеме кристалла могут развиться интенсивные процессы генерации свободных носителей. Равновесное состояние в этом случае будет нарушено: в части кристалла, подвергающегося внешнему воздействию, образуется повышенная или пониженная — неравновесная — концентрация свободных носителей:

Уравнение непрерывности. для полупроводников. Закон сохранения количества электричества (9-106) для полупроводников с учетом процессов генерации свободных частиц и их рекомбинации, а также с учетом наличия свободных разноименно заряженных частиц записывается в виде следующих уравнений, называемых уравнениями непрерывности:

В фотоэлектрических приемниках поглощение энергии способствует генерации свободных носителей заряда — электронов и дырок и (или) переходу их на более высокие уровни энергии, появлению «горячих» носителей. Ра-

При собственном поглощении энергия затрачивается на разрыв валентной связи в атоме и перевод электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости. Этот процесс генерации свободных носителей обратен межзонной рекомбинации (см. § 1.6). Для перевода электрона в зону проводимости необходимо, чтобы энергия фотона превышала ширину запрещенной зоны, т. е. ?ф = /1У^Д?'з. На частотах излучения v
При собственном поглощении уменьшение длины волны излучения начиная с красной границы фотоэффекта Ягр (см. 7.2) приводит к резкому увеличению фотопроводимости, значение которой проходит через максимум, а затем падает. Причиной этого уменьшения фотопроводимости является изменение области генерации свободных носителей в полупроводнике. С укорочением длины волны область генерации носителей перемещается в быстро сужающийся поверхностный слой полупроводника, где поглощается основная часть энергии излучения (аф возрастает). Из-за поверхностных явлений в полупроводнике увеличивается скорость рекомбинации неравновесных носителей и уменьшается время их жизни (см. § 1.8), поэтому поверхностный слой не может внести заметного вклада в общую проводимость толстого полупроводника. При собственном поглощении происходит генерация пар носителей,

Рекомбинация частиц сопровождается выделением энергии, которая может быть излучена в виде фотонов (излучателъная рекомбинация) или же воспринята кристаллической решеткой в виде фононов (безызлучателъная рекомбинация). Процессы рекомбинации зависят от ряда факторов: концентрации свободных частиц, характера их движения, наличия и концентрации примесей и других дефектов кристаллической структуры, состояния поверхности тела и др. Принято различать межзонную рекомбинацию, рекомбинацию через локальные уровни примесей ( рекомбинацион-ные ловушки}, поверхностную рекомбинацию и другие виды. Рас-смотрим основные виды генерации свободных носителей заряда и их рекомбинации.

Равновесное состояние. Процессы генерации свободных носителей и их рекомбинации протекают одновременно. При неизмен-

При воздействии внешнего напряжения равновесие нарушается и через переход течет ток. Природа этого тока зависит от ряда факторов. Так, если энергетический барьер для дырок выше барьера для электронов, то результирующий ток определяется электронной составляющей, и наоборот. В случае высокой концентрации граничных состояний ток через переход имеет в основном генерационно-рекомбинационный характер.

Генерационно-рекомбинационный шум наблюдается в основном в полупроводниковых средах и обусловлен флуктуациями концентрации носителей в результате статистического характера актов генерации и рекомбинации. Основную роль в примесных полупроводниках играют реком-

/ГР( ]~ К»Р + Ро)'"3 '+ <-•>' ' Генерационно-рекомбинационный шум в обедненной области идеального p-n-перехода отсутствует. Однако в реальных переходах, и особенно в кремниевых диодах, он существует и вызван актами генерации-рекомбинации на центрах рекомбинации с одиночными уровнями в запрещенной зоне полупроводника. Механизм возникновения этого шума состоит в следующем. Носитель, диффундирующий в обедненную область перехода, попадает на центр рекомбинации, захватывается им и остается там некоторое время. Во внешней цепи при исчезновении носителя возникает элементарный импульс тока. Совокупность таких им-

Собственный шум фотосопротивления — генерационно-рекомбинационный со спектральной плотностью

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает как бы свободное место, обладающее элементарным положительным зарядом, равным по абсолютной величине заряду электрона. Такое освободившееся в электронной связи место условно назвали дыркой, а процесс образования пары электрон — дырка получил название генерации зарядов. Дырка обладает положительным зарядом, поэтому она может присоединить к себе электрон соседней заполненной ковалентной связи. В результате этого восстанавливается одна связь (этот процесс называют рекомбинацией) и разрушается соседняя или, другими словами, заполняется одна дырка и одновременно с этим возникает новая в другом месте. Такой генерационно-рекомбинационный процесс непрерывно повторяется, и дырка, переходя от одной связи к другой, будет перемещаться по кристаллу, что равносильно перемещению положительного заряда, равного по величине з-аряду электрона.

При воздействии внешнего напряжения равновесие нарушается и через переход течет ток. Природа этого тока зависит от ряда факторов. Так, если энергетический барьер для дырок выше барьера для электронов, то результирующий ток определяется электронной составляющей, и наоборот. В случае высокой концентрации граничных состояний ток через переход имеет в основном генерационно-рекомбинационный характер.

Генерационно-рекомбинационный шум транзистора и шум мерцания катода лампы имеют зависимость вида \/f. Полное напряжение шума определяется по формуле:

Изложение опирается на математическое исследование в общем виде, в котором устанавливаются свойства последовательностей случайных сигналов и импульсных процессов. В книге главным образом рассматриваются тепловой и дробовой шумы, а также генерационно-рекомбинационный (г-р) шум, повсеместно распространенный 1//-шум, взрывной шум, неравновесный джонсоновский шум, связанный с разогревом электронов, и лавинный шум, обусловленный ударной ионизацией. Каждая глава сопровождается обширной библиографией, позволяющей заинтересованному читателю глубже изучить обсуждаемую тему.

В дополнение к тепловому, дробовому и l/f-шуму, введенным выше, в следующих главах встретимся с различными другими типами шумов, включая генерационно-рекомбинационный (г-р) шум, возникающий в результате случайного захвата носителей в полупроводниковых материалах, взрывной шум, лавинный шум вследствие ударной ионизации и неравновесный джонсоновский шум горячих электронов в сильных электрических полях. Некоторые из перечисленных явлений относятся к шумовым процессам, о которых мы уже говорили, например лавинный шум можно рассматривать как усиленную разновидность дробового шума, а джонсоновский шум горячих электронов, очевидно, является вариантом теплового шума, производимого равновесным ансамблем электронов. Прежде чем рассматривать новые типы шумов и устройств, с которыми они связаны, продолжим подготовку математического фундамента, необходимого для удовлетворительного теоретического обоснования свойств шумов и стохастических процессов.

называют последовательностью случайных импульсов. Как последовательности случайных импульсов можно рассматривать .дробовой шум и тепловой шум, а также много других процессов в электронных и других устройствах. Подобным образом, -например, можно представить генерационно-рекомбинационный

4.2.2. Генерационно-рекомбинационный шум ;