Физические основы микро- и наноэлектроники

Такое разделение может произойти при равномерном освещении полупроводника с неоднородным распределением примесей, при неравномерном освещении полупроводника однородного состава, при фотогенерации но-сителей в областях полупроводника с внутренним электрическим полем (p-n-переход, область обеднения МДП-структуры и т.п.).

В результате освещения локального участка собственного полупроводника при условии, что hν > E, в освещенном месте возникает избы-

точная концентрация свободных носителей заряда (электронов и дырок), которые начинают диффун-

дировать в неосвещенную область с более низкой концентрацией свободных носителей (рис. 11.6).

Вследствие различных скоростей диффузии электронов и дырок происходит их пространственное разделение и возникает фото-ЭДС. Поскольку обычно подвижность дырок меньше подвижности

электронов, то освещенная поверхность полупроводника заряжается положительно, а неосвещенная — отрицательно. Такой механизм возникновения фото-ЭДС получил название эффекта Дембера.

При этом разность потенциалов освещенной и неосвещенной областей полупроводника может достигать единиц милливольт.

При локальной фотоионизации примесных состояний в полупроводнике возникает градиент неравновесных носителей одного знака между освещенным и неосвещенным участками, что ведет к появлению фотоЭДС вследствие монополярной диффузии неравновесных носителей в неосвещенную область.

При равномерном освещении полупроводника с неоднородным распределением примеси светом из области примесного поглощения скорость фотоионизации примесных состояний будет выше в области с более высокой концентрацией примеси. Возникший градиент концентрации неравновесных носителей заряда обусловливает их диффузию и появление фотоЭДС между участками образца с различным содержанием примеси.

При облучении p-n-перехода фотонами с энергией, большей ширины запрещенной зоны полупроводника, электроны и дырки, созданные светом, ускоряются полем контактной разности потенциалов и переводятся на разные стороны p-n-перехода (рис. 11.7), т.е. происходит пространственное разделение неравновесных электронов и дырок, что обусловливает возникновение фото-ЭДС, получившей название вентильной фото-ЭДС. Направление поля вентильной фото-ЭДС противоположно направлению поля контактной разности потенциалов p-n-перехода. Следовательно, высота потенциального барьера на p-n-переходе при появлении фото-ЭДС уменьшается на величину qVô, ãäå Vô — значение вентильной фото-ЭДС. Зонная диаграмма p-n-перехода при появлении вентильной фото-ЭДС приобретает вид диаграммы p-n-перехода при прямом смещении (пунктир

221

на рис. 11.7). При замыкании p- è n-областей внешней электрической цепью в ней начинает протекать электрический ток (фототок), зависящий от интенсивности освещения p-n-перехода, его температуры и свойств полупроводника.

Рис. 11.7. Возникновение вентильной фото-ЭДС при облучении светом p-n-перехода

Эффект возникновения вентильной фото-ЭДС при освещении p-n-пе- рехода получил название фотогальванического или вентильного фотоэффекта. На его основе созданы приборы для регистрации и измерения мощностей светового излучения, т.е. выполняющие роль фотоприемных устройств. Вентильная фото-ЭДС может создаваться не только в p-n-пере- ходах, но и в других структурах, содержащих области с контактной разностью потенциалов. Например, для создания фотоприемников часто используются структуры металл-полупроводник (диоды Шоттки) и диоды на основе p-i-n-структур и гетеропереходов.

§11.5. Использование фотоэлектрических явлений

âполупроводниковых приборах

На основе фотоэлектрических явлений созданы различные фоточувствительные и светоизлучающие полупроводниковые устройства (фоторезисторы, фото- и светодиоды, фототранзисторы, фотогальванические элементы и т.д.), предназначенные для регистрации и измерения световых потоков, управления характеристиками электрических цепей за счет световых воздействий или преобразования световой энергии в электриче- скую. Рассмотрим принципы работы некоторых фотоэлектрических устройств.

1. Фоторезисторы представляют собой пластину полупроводника (монолитную или в виде тонкой пленки) с омическими контактами на противоположных концах. Схема включения фоторезистора показана на рис. 11.8. При включении источника питания через фоторезистор протекает темновой ток, равный согласно закону Ома

222

ãäå l — длина полупроводника, заключенного между металлическими контактами; S — площадь поперечного сечения активной части фоторезистора.

При облучении фоторезистора квантами света с энергией hν â öåïè

будет протекать ток

ãäå IÙ = ΔσÙS Vl — величина приращения темнового тока, пропорцио-

нальная фотопроводимости.

На сопротивлении нагрузки при протекании тока в цепи с фоторезистором при освещении можно зарегистрировать падение напряжения

Облучению светом переменной интенсивности на сопротивлении нагрузки будет соответствовать переменный сигнал с частотой световой модуляции. Амплитуда модулированного сигнала равна

Параметры фоторезисторов (спектральная чувствительность, время

датчиков световых потоков в различных устройствах.

2. Фотодиоды строятся на основе p-n-переходов, p-i-n-диодов, диодов со структурой металл-полупроводник (диоды Шоттки) и диодов на гетеропереходах.

При создании фотодиодов одной из основных задач, которую необходимо решить разработчику, является создание такой конструкции, чтобы поглощение фотонов происходило в основном в области контактного потенциального барьера. На рис. 11.9 приведены две возможные схемы размещения p-n-перехода фотодиода относительно светового потока.

223

Åñëè p-n-переход освещается так, что лучи света направлены вдоль металлургической границы p-n-перехода (рис. 11.9,à), то свет с энергией кванта hν > E полностью поглощается в очень тонком приповерхностном

слое полупроводника, при этом область p-n-перехода в глубине кристалла не участвует в формировании фото-ЭДС. Кроме того, в создании фото-ЭДС могут принимать участие только неосновные носители заряда, возникшие при фотоионизации в слое толщиной не более диффузионной длины от области объемных зарядов p-n-перехода. Остальные носители, созданные светом, не успевают за время жизни дойти до p-n-перехода и исчезают в результате рекомбинации.

224

При облучении p-n-перехода появляется фототок Iô, обусловленный неравновесными неосновными носителями, который приводит к уменьшению высоты потенциального барьера на величину qVô, ãäå Vô — зна- чение фото-ЭДС.

Очевидно, что в стационарном состоянии в освещенном p-n-переходе фототок и ток основных носителей, обусловленный прямым смещением p-n-перехода из-за возникающей фото-ЭДС, должны компенсировать друг друга. Тогда

Откуда

(11.30)

Если замкнуть внешнюю цепь освещенного p-n-перехода на нагрузоч- ное сопротивление Rí (рис. 11.10), то в этой цепи возникнет ток Ií, обусловленный неравновесными неосновными носителями, созданными светом и переброшенными контактным полем через p-n-переход. При этом прямое смещение p-n-перехода за счет создаваемой фото-ЭДС уменьшится до величины Vô.í. Очевидно, что в этом случае должно выполняться следующее равенство для токов:

При коротком замыкании p-n-перехода все неравновесные неосновные носители, создающие фототок, будут уходить во внешнюю цепь, вследствие чего Vô.í = 0, а ток во внешней цепи

будет равен фототоку.

Из выражений (11.30) и (11.32) следует, что при прочих равных условиях большая фото-ЭДС будет создаваться в фотодиодах с малым темновым током насыщения Is , который определяется площадью p-n-перехода и равновесными концентрациями неосновных носителей в n- è p-областях диода.

Различают два режима работы фотодиодов:

225

1)режим фотоэлемента, когда фотоприемник используется без внешнего смещения. Этот режим эффективен для прямого преобразования световой энергии в электрическую, но фотоэлементы отличаются высокой инерционностью и нелинейной световой характеристикой;

2)фотодиодный режим, когда на диод подается внешнее отрицательное смещение, превышающее значение фото-ЭДС. Подача внешнего обратного смещения на фотодиод позволяет снизить емкость p-n-перехода

èуменьшить время пролета неосновных носителей через барьер. Поэтому фотодиодный режим обычно обеспечивает большее быстродействие, и, кроме того, в этом режиме фотодиоды имеют линейную связь между мощностью светового излучения и силой тока во внешней цепи фотоприемника.

Чтобы осуществить равномерное освещение p-n-перехода и не допустить непроизвольных потерь световой энергии при поглощении в базовых областях полупроводника, для создания вентильных фотоэлементов часто используют гетеропереходы.

Гетеропереходом называется p-n-переход между электронным и дырочным полупроводниками с различными значениями ширины запрещенной зоны (рис. 11.11).

Рис. 11.11. Зонная диаграмма гетероперехода

Если освещать гетеропереход со стороны широкозонного полупроводника светом с энергией квантов E1 < hν < E2, то свет будет погло-

щаться и создавать электронно-дырочные пары только в узкозонном материале в непосредственной близости от p-n-перехода. Кроме того, фотоэлементы на основе гетеропереходов имеют более широкую область спектральной чувствительности (рис. 11.12), обычно охватывающую энергетический интервал от E1 äî E2 ( E1 è E2 — ширина запрещенной зоны полупроводников в n- è p-областях гетероперехода). Использование гетеропереходов позволяет существенно повысить КПД фотоэлемента. КПД определяется отношением максимальной мощности электрического тока, которую можно получить от фотоэлемента, к мощности излучения, падающего на фотоэлемент. В фотоэлементах на основе гетеропереходов КПД достигает 20 %, тогда как фотоэлементы на основе p-n-переходов имеют КПД порядка 12%.

226

Контрольные вопросы и задачи

1.(ШОСП). Разместите нижеперечисленные полосы поглощения, наблюдаемые в полупроводниках, в порядке убывания длины волны:

1) поглощение свободными носителями заряда;

2) собственное поглощение;

3) примесное поглощение;

4) экситонное поглощение.

2.(ЭЗФП). Определите длину волны излучения, при которой должна

наблюдаться красная граница фундаментального поглощения в кремнии при T = 300 Ê ( E = 1,124 эВ). Ответ представьте в цифровом виде «x, y»

âмикрометрах.

3.(А7СЧ). Расставьте фоторезисторы, изготовленные из нелегирован-

1)Si, Ge, GaP, GaAs;

2)GaP, GaAs, Si, Ge;

3)Ge, Si, GaAs, GaP;

4)GaAs, GaP, Ge, Si.

4.(Н9ФО). Укажите из нижеприведенных правильные определения фотопроводимости:

1) приращение проводимости, вызванное освещением полупроводника;

2) проводимость освещенного полупроводника;

3) проводимость, обусловленная неравновесными носителями заряда, созданными при освещении полупроводника;

4) проводимость, обусловленная равновесными и неравновесными носителями заряда освещенного полупроводника.

5.(ИТПЧ). Укажите причины возрастания пороговой чувствительности фотоприемных приборов с понижением температуры (под пороговой

227

чувствительностью понимают минимальный уровень световых сигналов, которые после преобразования в электрический сигнал могут быть уверенно выделены на фоне собственных электрических шумов фотоприемника).

Ответы:

1)увеличение ширины запрещенной зоны полупроводникового мате-

риала;

2)снижение величины темнового тока;

3)увеличение числа неравновесных носителей заряда, создаваемых освещением;

4)уменьшение концентрации равновесных носителей заряда пропор-

ционально exp(– E/2k0T).

6. (Д7ЭС). Когда в полупроводнике при освещении возникает внутреннее электрическое поле (фото-ЭДС)?

Ответы:

1)при равномерном освещении полупроводника с однородным распределением донорной или акцепторной примеси светом из области примесного поглощения;

2)при равномерном освещении полупроводника с неоднородным распределением донорной или акцепторной примеси светом из области примесного поглощения;

3)при освещении p-n-перехода светом из области фундаментального поглощения;

4)при освещении приповерхностной области обеднения полупроводника светом из области фундаментального поглощения;

5)при освещении приповерхностной области обогащения в полупроводнике светом из области собственного поглощения;

6)при неравномерном освещении полупроводника с однородным распределением примеси светом из области примесного поглощения.

7. (С1ФГ). Рассчитайте скорость фотогенерации электронов и дырок

âсобственном германии ( E = 0,7 эВ) при воздействии на него инфракрас-

ного излучения с длиной волны λ = 1 мкм и интенсивностью светового потока J0 = 2,21 Äæ/(ì3 с). При этом считайте, что поглощение 10 фото-

нов сопровождается генерацией 9 пар носителей заряда, а коэффициент поглощения α = 106 ñì–1.

Ответ x 10y, ãäå x è y — целые числа, например 5 1027 ì–3 ñ–1, íà-

берите как последовательность символов 5 27 м –3 с –1.

8. (М9РФ). Световое возбуждение создает в образце кремния стационарную концентрацию избыточных носителей заряда 1017 ñì–3, при этом скорость рекомбинации равна 1016 ñì–3 ñ–1.

Определите время, которое должно пройти с момента выключения

освещения, чтобы концентрация избыточных носителей снизилась до 1016 ñì–3.

228

Ответ к задаче после вышеприведенного кода наберите в виде двузначного числа с единицей физической величины.

9.(Ю4РФ). Известно, что после включения освещения кремниевого

образца n-типа светом из области примесного поглощения его проводимость за 2 мс изменилась от 20,2 до 21 Ом–1 ñì–1. Темновая проводимость образца составляла 20 Ом–1 ñì–1. Определите время жизни нерав-

новесных носителей заряда.

Ответ наберите в виде десятичного четырехзначного числа с соответствующей единицей физической величины.

10.(Д7РФ). Для условий задачи 9 определите время между моментом включения света и моментом первого измерения проводимости образ-

ца, если известно, что скорость фотогенерации носителей равна 3 1019 ñì–3 ñ–1, а их подвижность составляет 500 см2/(Â ñ).

В ответе наберите цифры x, y с указанием степени z и единицы измерения, например 1,7 10–6 с необходимо набрать как последовательность

символов 1,7 –6 с.

229

Приложение

Некоторые сведения о строении твердых тел

Введение

Различают четыре агрегатных состояния вещества — газ, жидкость, твердое тело и плазма. В газах какой-либо порядок в расположении атомов отсутствует из-за очень большого расстояния между атомами, что приводит к отсутствию взаимодействия между ними. В жидкостях расстояние между атомами значительно меньше. Атомы начинают взаимодействовать между собой, и это ведет к возникновению ближнего порядка

âих расположении: соблюдается определенный порядок в пространственном расположении ближайших к каждому атому атомов, т.е. атомов, относящихся к первой конфигурационной сфере. В твердых телах расстояние между атомами еще меньше. В результате атомы взаимодействуют не только с ближайшими соседями, но и с более далекими атомами, что может приводить к возникновению не только ближнего, но и дальнего порядка в пространственном расположении атомов. Плазма в общем слу- чае представляет систему, состоящую из ионов, нейтральных атомов и электронов и обычно характеризуется значительным расстоянием между элементами системы и отсутствием какого-либо порядка в их пространственном расположении. Поскольку в микроэлектронике основную роль играют твердотельные компоненты, то в дальнейшем мы будем вести речь только о твердых телах.

Твердыми телами часто называют тела, сохраняющие свою форму и объем при отсутствии внешних воздействий. Различают три вида твердых тел: аморфные, поликристаллические и монокристаллические. Аморфные твердые тела (вар, воск, стекло и пр.) по своим свойствам близки к очень вязким жидкостям, и в них наблюдается только ближний порядок в расположении атомов. Поэтому свойства аморфных тел одинаковы во всех направлениях, т.е. для них характерна изотропия свойств. Поликристаллические твердые тела представляют собой объединение мелких кристаллов различной пространственной ориентации. Поэтому для них

âпределах каждого кристалла соблюдается как ближний, так и дальний порядок в расположении атомов, но в целом из-за различной ориентации отдельных кристаллов свойства поликристаллического твердого тела не зависят от направления, т.е. они изотропны. Для монокристалличе- ских твердых тел в каждом направлении соблюдается свой порядок в расположении атомов. Поэтому свойства монокристаллов зависят от направления, т.е. монокристаллы обладают анизотропией свойств.

Ближний и дальний порядок в пространственном расположении атомов в монокристаллах обусловлен тем, что атомы находятся в равновесном состоянии.

230