8.8Принцип работы полупроводниковых фотоприемников

Физической основой работы полупроводниковых фотоприемников является поглощение оптического излучения в полупроводниках.

Различают пять основных типов оптического поглощения:

- собственное (фундаментальное) поглощение;

- примесное поглощение;

- поглощение свободными носителями заряда;

- экситонное и решеточное поглощение.

Рассмотрим их подробнее.

a) Собственное поглощение. Собственным называется поглощение, при котором электроны под действием излучения приобретают дополнительную энергию, превышающую или равную ширине запрещенной зоны E_g, и переходят из валентной зоны в зону проводимости.

Для прямозонных полупроводников коэффициент поглощения  у края собственного поглощения полупроводника имеет вид:

=A(h-E_g)^1/2, (8.11)

и для непрямозонного полупроводника =A^(h-E_g)^3/2 , (8.12)

где А и А^ - коэффициенты, зависящие от эффективных масс носителей.

б) Примесное поглощение. При наличии в запрещенной зоне энергетических уровней примесей, обмен носителями заряда между этими уровнями осуществляется фотонами с малой энергией, т.е h<E_g. Примесные уровни подразделяются на мелкие и глубокие. Глубокими называются уровни, вероятность термической ионизации которых при комнатной температуре мала. Они играют большую роль в определении свойств фотоприемников. Коэффициент примесного поглощения равен:

=8.3·10^-17 m₀N/m_n*nE_a , (8.13)

где N - концентрация атомов примесей; n - показатель преломления; E_a - энергия активизации примесного уровня; m_n*- эффективная масса электрона.

в) Поглощение свободными носителями. Поглощение свободными носителями обусловлено электронными переходами внутри разрешенных зон, т.е. внутри зоны проводимости и валентной зоны. Это поглощение неселективное. Для фотонов, энергия которых намного меньше, чем ширина запрещенной зоны, т.е. h << E_g, коэффициент поглощения равен:

(8.14)

где n – концентрация электронов, _n – подвижность электронов.

Выражение (8.14) справедливо и для случая поглощения свободными дырками.

г Экситонное и решеточное поглощение. В некоторых полупроводниках наблюдается поглощение экситонами - квазичастицами, состоящими из связанных кулоновским взаимодействием электрона и дырки. Энергия возбуждения экситона меньше ширины запрещенной зоны.

Для полупроводниковых соединений, состоящих из атомов различных типов, например GaAs, наблюдается, так называемое решеточное поглощение. Оно обуславливается поглощением диполями, образуемыми атомами различных типов. Спектр поглощения состоит из ряда пиков и накладывается на поглощение свободными носителями.

8.9 Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость

При переходах электронов из валентной зоны или из примесных уровней в зону проводимости, или из валентной зоны на примесные уровни, возникают новые свободные носители заряда, способные участвовать в переносе тока. Это приводит к изменению концентрации носителей заряда.

Изменение концентрации носителей заряда в веществе при его освещении, приводящее к изменению его электрических свойств, называется внутренним фотоэффектом. При внутреннем фотоэффекте, в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного тела, электрическая нейтральность которого не нарушается.

Внутренний фотоэффект обуславливается собственным и примесным поглощением, так как остальные типы поглощения не создают свободных носителей зарядов. На рисунке 8.10 показаны фотоэлектрические переходы, в результате которых создаются свободные носители заряда.

Р ис.8.10. Фотоэлектрические переходы в полупроводниках:

1-собственные переходы, 2- примесные переходы, Е_ad и Е_aa энергии активации доноров и акцепторов

Внутренний фотоэффект  явление не поверхностное, а объемное, поэтому даже если коэффициент поглощения и будет незначительным, тем не менее эффект будет значительным.

Под действием оптического излучения изменяется проводимость полупроводника. Это изменение проводимости называется фотопроводимостью. Как известно, проводимость полупроводников определяется выражением: σ=σ_n +σ_p =e(nμ_n + pμ_p), (8.15)

где σ_n и σ_p – электронная и дырочная составляющие проводимости, μ_n и μ_p - подвижности электронов и дырок; n и p - объемные концентрации свободных электронов и дырок.

Из выражения (8.15) видно, что проводимость может изменяться в результате изменения концентрации носителей или их подвижности.

При поглощении излучения в собственной или примесной области спектра происходит оптическая генерация носителей заряда, т.е. увеличивается их концентрация, вследствие чего нарушается термодинамическое равновесие системы электрон-решетка. Поэтому избыточные электроны и дырки, генерирующиеся при освещении полупроводника, называются неравновесными носителями заряда (равновесные носители генерируются путем термического возбуждения).

Если концентрация свободных электронов в результате поглощения излучения изменится на величину Δn, а концентрация дырок на величину ∆p, то проводимость полупроводника изменится на величину

∆σ=е(μ_nΔn+μ_pΔp). (8.16)

Полная проводимость освещенного полупроводника может быть представлена как сумма равновесной проводимости в темноте (темновой проводимости) и фотопроводимости:

σ = σ₀ + Δσ = еμ_n(n₀ + Δn) + eμ_p(p₀ + Δp). (8.17)

При определенных условиях освещения полупроводника может привести не к повышению, а к понижению его проводимости, т.е. Δn,Δp<0. Это явление называется отрицательной фотопроводимостью.

В неравновесных условиях концентрация электронов n=n₀+Δn и дырок p=p₀+Δp не может определяться положением уровня Ферми, которое имеет смысл только при термодинамическом равновесии. Однако неравновесную концентрацию зарядов удобно описывать выражениями, справедливыми для равновесной концентрации:

n = N_cexp(E_c - E_Fn/kT), (8.18.а)

p = N_vexp(E_Fp - E_v/kT), (8.18.б)

где величины N_c= (2/h³)(2πm_e^*kT)^3/2 и N_v= (2/h³)(2πm_p^*kT)^3/2 - эффективные плотности состояний в этих зонах, E_Fn и E_Fp квазиуровни Ферми.

Увеличение неравновесной концентрации электронов в зоне проводимости эквивалентно смещению квазиуровня Ферми E_Fn вверх, а увеличение концентрации дырок – смещению квазиуровня Ферми E_Fp - вниз.

Энергетические модели полупроводников в равновесных и неравновесных случаях наглядно можно представить в следующих рисунках:

Рис. 8.11. Энергетические модели полупроводников: а) – равновесное состояние, б) и в) - неравновесное состояние.