Примесного полупроводника

Метод фотоемкости. Определение параметров глубоких ловушек с помощью фотоемкости основано на измерении емкости обедненного слоя структуры металл — полупроводник 1ли р-п-перехода при освещении образца светом с различной длиной волны. Температуру выбирают достаточно низкой (например, 77 К), чтобы скорости теплового испускания были невелики. Сначала исследуемую структуру помещают в оптический криостат и охлаждают без освещения при нулевом напряжении, чтобы первоначально все глубокие уровни были заполнены электронами. Затем к структуре прикладывают обратное напряжение и освещают монохром* тическим светом из области примесного поглощения. Так как скорости теплового испускания слишком малы, то изменение емкости структуры обусловлено лишь изменением плотности объемного заряда за счет фотоионизации глубоких ловушек. Это условие при температуре 77 К обычно выполняется для уровней с Д?>0,18 эВ в германии, кремнии, арсениде галлия.

Примесное поглощение. Этот вид поглощения света связан с ионизацией или возбуждением примесных атомов. Поглощение фотонов вызывает переходы электронов донорных атомов в зону проводимости или же переход валентных электронов полупроводника на акцепторные уровни. Могут наблюдаться также переходы электронов примесных центров на энергетические уровни возбуждения этих атомов. Энергия ионизации примесных атомов веществ, которыми обычно легируются полупроводники, в десятки и сотни раз меньше ширины запрещенной зоны и лежит обычно в пределах сотых долей электронвольта. Поэтому спектр примесного поглощения располагается обычно за длинноволновой границей собственного поглощения. Спектры примесного поглощения охватывают широкие полосы частот, так как электроны донорных атомов при поглощении света могут переходить на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, лежащие достаточно далеко от ее дна, а ионизация акцепторных атомов может происходить за счет перехода электронов с более глубоких энергетических уровней валентной зоны.

В результате примесного поглощения, как и в случае термической ионизации атомов примесей, генерируются подвижные носители лишь одного знака: электроны в зоне проводимости при ионизации донорных атомов и дырки в валентной зоне при ионизации акцепторных атомов. Сами атомы примесей в процессе.фотоионизации превращаются в ионы с единичным электрическим зарядом.

Понятно,' что коэффициент поглощения а0 в случае примесного поглощения существенно зависит от температуры. При комнатных температурах мелко залегающие уровни примеси почти все термически ионизированы, поэтому вероятность примесного пог-ЛОЩеНИЯ фОТОНОВ НОВ9ЛИКа; ПРИ бОЛее НИЗКИХ ТёМПёратурах интенсивность примесного поглощения увеличивается.

В случае примесного поглощения в полупроводнике преобладают неравновесные носители одного знака. Так, если преобладает процесс поглощения за счет ионизации донорных примесей, то А/г ^> Ар и, следовательно, примесная фотопроводимость

При примесном поглощении энергия фотона затрачивается на ионизацию атрмов примеси. В полупроводниках донорные примеси расположены вблизи дна зоны проводимости, акцепторные — около потолка валентной зоны. В обоих случаях энергия ионизации примесей 6?Пр<С <СА?3, а коэффициент примесного поглощения на несколько порядков меньше, чем собственного, и не превышает аф=103 см"1. Спектр примесного поглощения смещен относительно спектра собственного в инфракрасную область. Электроны в атомах примесей могут находиться в основ-

ном и возбужденном состояниях, и тогда энергия ионизации атомов примесей различна. Поэтому спектр примесного поглощения состоит из нескольких областей (участки 3 и 4). Увеличение температуры способствует термической ионизации атомов примесей. Коэффициент примесного поглощения при этом уменьшается, так как энергия фотонов не поглощается из-за отсутствия неионизированных атомов примеси. Поэтому приемники инфракрасного диапазона, использующие в работе примесное поглощение, как правило, охлаждают до низких температур (77, НО К).

Спектральные характеристики фоторезисторов, нормированные относительно максимального значения чувствительности «ямакс на длине волны Кмакс, приведены на 7.27. Эти характеристики определяются конкретной зависимостью стф = ф(Я) (см. 7.2) для каждого материала в области собственного или примесного поглощения. В видимой части оптического диапазона в качестве материалов ЧЭ фоторезисторов используются сульфид кремния CdS и селенид кадмия CdSe. Введение в эти материалы меди Си — центров чувствительности резко повышает время жизни электронов и, следовательно, коэффициент усиления по току. Но атомы меди создают в запрещенной зоне CdS и CdSe компенсирующие акцепторные уровни, и проводимость полупроводника уменьшается. В инфракрасной области спектра на длинах волн 1—5 мкм используются сульфид PbS, селенид PbSe и теллурид РЬТе свинца, а на длинах волн 5—40 мкм—тройные кристаллические соединения Hgi-xCd^Te и РЬ[_ж5пжТе с узкой шириной запрещенной зоны (Д?3 = 0,03ч-1,5 эВ для соединения Hg\-xCdxTe при изменении х в интервале 1—0,15). На длинах волн 1—4 мкм применяют антимонид InSb и арсенид InAs индия. Указанные материалы фоторезисторов обладают собственной проводимостью.

Примесное поглощение. Этот вид поглощения света связан с ионизацией или возбуждением примесных атомов. Поглощение фотонов вызывает переходы электронов донорных атомов в зону проводимости или же переход валентных электронов полупроводника на акцепторные уровни. Могут наблюдаться также переходы электронов примесных центров на энергетические уровни возбуждения этих атомов. Энергия ионизации примесных атомов веществ, которыми обычно легируются полупроводники, в десятки и сотни раз меньше ширины запрещенной зоны и лежит обычно в пределах сотых долей электронвольта. Поэтому спектр примесного поглощения располагается обычно за длинноволновой границей собственного поглощения. Спектры примесного поглощения охватывают широкие полосы частот, так как электроны донорных атомов при поглощении света могут переходить на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, лежащие достаточно далеко от ее дна, а ионизация акцепторных атомов может происходить за счет перехода электронов с более глубоких энергетических уровней валентной зоны.

В результате примесного поглощения, как и в случае термической ионизации атомов примесей, генерируются подвижные носители лишь одного знака: электроны в зоне проводимости при ионизации донорных атомов и дырки в валентной зоне при ионизации акцепторных атомов. Сами атомы примесей в процессе.фотоионизации превращаются в ионы с единичным электрическим зарядом.

Понятно,' что коэффициент поглощения а0 в случае примесного поглощения существенно зависит от температуры. При комнатных температурах мелко залегающие уровни примеси почти все термически ионизированы, поэтому вероятность примесного пог-ЛОЩеНИЯ фОТОНОВ НОВ9ЛИКа; ПРИ бОЛее НИЗКИХ ТёМПёратурах интенсивность примесного поглощения увеличивается.

Электронно-дырочным переходом (п-р- или p-n-переходом) называют область, отделяющую примесный полупроводник с электронной электропроводностью от примесного полупроводника с дырочной

Сопротивление электронно-дырочного перехода, включенного в непроводящем направлении, в сильной степени зависит от воздействия на него лучистой энергии. Это объясняется тем, что при освещении примесного полупроводника в нем увеличивается число разрывов кова-лентных связей, приводящее к возрастанию числа неосновных носителей и, следовательно, к увеличению тока обратной проводимости.

Для примесного полупроводника с концентрацией ионизированной примеси N

Для полупроводника n-типа а =»
Для примесного полупроводника с одним типом носителей заряда коэффициент Холла связан с концентрацией носителей заряда п0, р0 и факторами рассеяния г„, гр:

Коэффициенты D и ц характеризуют движение совокупности неравновесных носителей заряда в условиях электронейтральности. В частном случае примесного полупроводника коэффициент амбиполярной диффузии равен коэффициенту Д1ффузии неосновных носителей заряда, а амбиполярная дрейфовая подвижность совпадает с подвижностью неосновных носителей заряда. Поэтому уравнение непрерывности в виде (3.7) всегда написывают для неосновных носителей заряда.

Качественно полученные результаты можно пояснить следующим образом. Пусть в некоторой области примесного полупроводника, например га-типа, генерируются носители заряда. Допустим, что происходит независимая диффузия неравновесных носителей заряда в соответствии с коэффициентами диффузии Dn и Dp. Если Dn>Dp, то диффузионный поток электронов превышает диффузионный поток дырок, в результате чего происходит образование объемного заряда электронов. В той части образца, откуда происходит диффузия, накапливается положительный объемный заряд дырок. В возникшем вследствие образования объемных зарядов электрическом поле потечет ток, обусловленный как основными, так и неосновными носителями заряда, который нейтрализует объемные заряды. Поскольку ток основных носителей заряда во много раз превышает ток неосновных носителей заряда, электронейтральность восстанавливается за счет перераспределения в пространстве основных носителей заряда. Это происходит для основных носителей заряда за время максвелловской релаксации: тм=

Для примесного полупроводника длина L соответствует диффузионной длине неосновных носителей заряда.

6.39. Образец собственного кремния при 7=300 К имеет удельное сопротивление 2-105 Ом-см, концентрация электронов проводимости составляет 1,5-10ю см-3. Чему равно при этой температуре удельное сопротивление кремния п-типа с концентрацией доноров 1016 атомов/см3? Предположите, что подвижность электронов в 3 раза больше подвижности дырок, и это соотношение сохраняется как для собственного, так и для примесного полупроводника. Дайте качественное обоснование основным сделанным допущениям и объясните, каким образом они могут быть подтверждены,

Явление примесной электрической проводимости можно объяснить с помощью зонной теории. При небольших количествах примеси, введенной в кристаллическую решетку собственного полупроводника, структура связей в кристалле сохраняется, но связь вблизи примесных атомов нарушается, причем атомы примеси располагаются один от другого на больших расстояниях и взаимодействовать между собой не будут. В связи с этим энергетические зоны примесного полупроводника можно считать такими же, как и зоны чистого полупроводника. Однако необходимо учитывать наличие новых уровней в местах внедрения примесей. Из-за малого количества примесных атомов не создается общей зоны, а образуются локальные уровни.

Кристалл примесного полупроводника с однородной проводимостью р-типа или л-типа будет пропускать ток в любом направлении. Работа полупроводниковых диодов и транзисторов основана на использовании явлений, возникающих в контакте между областями полупроводников разного типа электрической проводимости. Слой на границе между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет электрическую проводимость л-типа, другая р-типа, называется электронно-дырочным переходом (р—л-переход). Для создания р—л-переходов в монокристаллах полупроводника разработаны сепциальные технологии, которые непрерывно совершенствуются.