Возбужденных состояний

Чем сильнее световой поток, которым облучается фотодиод, тем выше концентрация возбужденных носителей заряда вблизи запорного слоя и тем больше фототек /ф через диод. На 2.11 приведена ВАХ фотодиода для различных значений светового потока Ф.

Во многих реальных кристаллах кроме рекомбинационных JQ-вушек присутствуют еще ловушки захвата. Их наличие приводит к тому, что часть возбужденных носителей заряда захватывается этими ловушками. Времена жизни электронов и дыре к в этом случае не равны друг другу. Действительно, если число шхваченных носителей заряда, например электронов, обозначить Ап3, то из условия электронейтральности получаем Ар=Д/г + Дп3. Так как скорости рекомбинации носителей заряда равны, то

Поглощение энергии свободными носителями не меняет их концентрацию, но увеличивает подвижность. Соответственно при этом механизме поглощения фотопроводимость называется ^-фотопроводимостью. Свободные носители при нормальной температуре отдают поглощенную энергию решетке через 10~10—10~12 с — время жизни возбужденных носителей. Поэтому ^-фотопроводимость наблюдается только при низких температурах (77, 110 К).

На 7.13 указана область лавинного размножения ЛО в структуре с р+-п-переходом, где напряженность электрического поля ?>?Л.Р. Вольт-амперная характеристика германиевого лавинного фотодиода приведена на 7.14. Рабочая точка А выбирается в предпробойной области на ВАХ фотодиода. При малых потоках излучения коэффициент М — постоянная величина. С увеличением потока излучения концентрация оптически возбужденных носителей растет, их заряд компенсирует объемный заряд ионов в обедненной области перехода, электрическое поле перехода уменьшается, область лавинного размножения ЛО сужается и, следовательно, коэффициент лавинного размножения падает. Ток увеличивается, и на последовательном сопротивлении фотодиода rs возрастает падение напряжения. С увеличением светового потока падает предельно возможное значение М, так как средняя напряженность электрического поля в переходе и толщина ЛО уменьшаются. В результате крутизна характеристики в области пробоя падает, т. е. обратная ветвь ВАХ в этой области становится более пологой, хотя ток через диод и возрастает. В точке А ( 7.14) отношение /ф//0бР=Л41 есть коэффициент усиления лавинного фотодиода. С увеличением потока Ф значение М\ падает из-за уменьшения крутизны обратной ветви ВАХ.

В результате процессов возбуждения и рекомбинации при любой температуре тела устанавливается равновесная концентрация возбужденных носителей:

пературные зависимости сечений захвата электронов состояниями в запрещенной зоне а-& : Н. Изучение фотопроводимости методом види-кона позволяет оценить основные параметры, влияющие на фотопроводимость: эффективность генерации носителей, пробег носителей, дрейфовую скорость. С помощью этого метода можно также эффективно определять и изучать распределение состояний в запрещенной зоне a-Si: Н.Наконец, метод пикосекундной нестационарной дифракционной спектроскопии внес определенную ясность в динамику возбужденных носителей в аморфных полупроводниках, в частности для процесса фото потемнения халькогенидного стекла As2S3, а также оптически освещенного a-Si: Н, полученного в тлеющем разряде.

Для изучения динамики возбужденных носителей в аморфных полупроводниках " применялся метод пикосекундной нестационарной дифракционной спектроскопии. С ее помощью внесена определенная ясность в динамику процесса фотопотемнения халькогенидного стекла А5г83, а также в динамику носителей в оптически освещенном a-Si:H, полученном в ТР. Динамическое поведение процесса фотопотемнения заключается в том, что возбужденные носители диффундируют в подвижных состояниях и релаксируют до состояния фотопотемнения с участием локализованных состояний вблизи середины запрещенной зоны. Быстрая пикосекундная релаксация обнаружена в a-Si : Н, освещенном светом. Она объясняется в рамках механизма многократного захвата с учетом мелких и глубоких локализованных состояний, действие которого усиливается после оптического освещения.

3.6.1. Динамика возбужденных носителей

С помощью разработанных методов пикосекундной спектроскопии удалось собрать значительную информацию, относящуюся к сверхбыстрой динамике в области физики твердого тела [ 134-138]. Некоторые из этих методов применялись для изучения динамики возбужденных носителей в аморфных полупроводниках. В работе [ 139] обсуждался процесс ступенчатой рекомбинации на основе результатов по спаду пикосекундного индуцированного поглощения в халькогенидном стекле, а в работе [120] изучались формирование и скорости релаксации локализованных электронных состояний в As2S3 с помощью метода индуцированного поглощения. Ас-тон и др. [141] непосредственно наблюдали быстрый спад возбужденных .носителей в напыленном a-Si, используя метод оптико-электронной корреляции, и высказали идею о создании фотодетектора с пикосекундным временем срабатывания. Пико-секундное затухание люминесценции наблюдали в a-SiC. С помощью этих экспериментов удалось получить полезную информацию относительно динамики носителей в аморфных полупроводниках. Разработанный метод пикосекупдной нестационарной дифракционной спектроскопии (ПНДС) [138, 142] использовался для наблюдения динамики носителей в аморфных полупроводниках. Этим методом можно одновременно и независимо определять коэффициент диффузии и времени жизни носителей в возбужденном состоянии. Изучались также детали пространственной динамики и релаксации энергии возбужденных носителей. В данной статье освещены два вопроса, которые были предметом исследования с помощью упомянутого метода спектроскопии, а именно: динамическое поведение процесса фотопотемнения в халькогенидном стекле As2S, и динамика носителей в оптически освещенном a-Si : Н, полученном в ТР. Хотя процесс фотопотемнения в пикосекундной области не происходит, приводимый в статье пример можно рассматривать как полезное применение ПНДС.

Па этой дифракционной решетке дифрагирует свет зонда (Л/>). Так как при диффузии возбужденных носителей или их рекомбинации дифракционная решетка исче-jaei. временная зависимость интенсивности дифрагированного света отражает кинетику носителей. В эксперименте временная зависимость регистрировалась фотоумножителем и осциллографами. Время срабатывания системы не превышало 5 не.

В ряде работ на основании экспериментов по фотопроводимости [162, 163], ФЛ [59, 164] и ЭПР [56, 165] описаны электрические н оптические свойства TP-a-Si: Н, и отмечены их сильное изменение под действием освещения ( в оптическом диапазоне). Эти изменения связываются с ростом числа свободных валентных связей при освещении. В настоящем разделе рассматривается динамика фото возбужденных носителей в пико-секундном и наносекундном временном режиме на оптически освещае-

Анализ температурной зависимости концентрации носителей заряда, определенной по результатам холловских измерений, является одним из основных способов изучения примесей в полупроводниках. Цель такого анализа состоит в определении типа и числа примесей, имеющихся в полупроводниковом материале, их концентраций и энергий ионизации, вклада каждого из локальных уровней в общую концентрацию носителей заряда, спектра возбужденных состояний уровней и других характеристик. Основные причины, ограничивающие применение этого метода, связаны, например, с электропроводностью по примесным уровням в области низкой температуры и вырождением при больших концентрациях примесей.

При наличии возбужденных примесных состояний концентрация свободных носителей заряда уменьшается вследствие их распределения по возбужденным уровням. Основное состояние соответствует фиксированному значению энергии ниже дна зоны проводимости (для донорной примеси). Увеличение концентрации доноров приводит к уширению сильновозбужденных состояний, перекрытию волновых функций этих состояний и образованию зоны непрерывного спектра, соприкасающейся с зоной проводимости.

Следовательно, дно зоны проводимости опускается и энергия термической активации понижается. Для оставшихся дискретных возбужденных уровней разности энергии не изменяются. Структура возбужденных состояний водородоподобной модели описывается формулой ?fc=(l—k~2)Ei, где /г^2 —целое число; Е\=ЕС—?d фиксировано в пределе при малой концентрации примеси. Например, для арсенида галлия л-типа с концентрацией доноров более 8-Ю14 см-3 уширение уровней настолько велико, что все возбужденные состояния перекрываются и не влияют на функцию распределения. При концентрации доноров 1014 см~3 нужно учитывать лишь первое возбужденное состояние.

С учетом возбужденных состояний уравнение (2.16) имеет вид

ного и возбужденных состояний.

Анализ температурной зависимости холловской подвижности носителей заряда, полученной на основе экспериментальных данных по измерениям ЭДС Холла и удельной проводимости, представляет собой еще одну возможность определения концентрации электрически активных примесей в полупроводнике. Она связана с влиянием ионов примесных атомов на рассеяние носителей заряда, что в наибольшей степени сказывается на подвижности носителей заряда при низких температурах. Этот метод наиболее эффективен при высокой концентрации примесей, когда уширение возбужденных состояний приводит к образованию зоны непрерывного спектра, смыкающейся с исходной зоной. В этом случае раздельное определение концентрации доноров и акцепторов может быть осуществлено путем измерения холловской подвижности, если известны механизмы рассеяния носителей заряда. Метод, основан-

По мере увеличения тока темный разряд переходит в тлеющий (область 4) и газ в приборе начинает интенсивно светиться в результате излучения энергии в виде фотонов при переходе электронов из возбужденных состояний в стационарные.

В результате этих неупругих взаимодействий часть кинетической энергии электронов переходит в энергию возбуждения или ионизации. При взаимодействии медленного электрона е с возбужденным атомом А* возможно столкновение второго рода е-\-А* = е-\-А. Этот процесс является основным при «разрушении» возбужденных состояний.

По мере увеличения тока темный разряд переходит в тлеющий (область 4) и газ в приборе начинает интенсивно светиться в результате излучения энергии в виде фотонов при переходе электронов из возбужденных состояний в стационарные.

Поэтому энергетический спектр, т. е. частоту излучения, испускаемого возбужденными атомами, можно использовать для идентификации этих атомов. Длины волн фотонов, испускаемых атомом водорода, показаны на 7.22. Линии На,Нр ... образуются в результате переходов атома из различных возбужденных состояний в первое возбужденное состояние; эти линии, расположенные в видимой области спектра, названы в честь швейцарского школьного учителя Бальмера, который вывел рекуррентную формулу для предсказания длин их волн еще в конце XIX в. задолго до того, как стало известно строение атома. Другие спектральные серии (Лаймана, Пашена и т.д.) лежат в ультрафиолетовой или инфракрасной области. Аналогичным образом для идентификации можно воспользоваться спектрами поглощения. Если белый свет, содержащий все частоты, падает на ячейку, заполненную газообразным водородом, окажется, что в спектре луча, прошедшего сквозь газ, бу-

процессы многофонного взаимодействия возбужденных состояний