3.5.3. Влияние света на электропроводность полупроводника.▲

Световая энергия, поглощаемая полупроводником, вызывает появление в нем избыточного (по сравнению с равновесным при данной температуре) количества носителей зарядов, приводящего к возрастанию электропроводности.

Фотопроводимостьюназывают увеличение электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения.

Изменение электрических свойств полупроводника под действием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость более или менее быстро возвращается к тому значению, которое она имела до облучения. У одних полупроводников это длится микросекунды, у других измеряется минутами и, даже, часами. Знание инерционности фотопроводимости различных полупроводниковых веществ важно при разработке, например, фоторезисторов, к которым предъявляются высокие требования в отношении их быстродействия.

Кроме того, по быстроте возрастания или затухания фотопроводимости соответственно после включения или выключения света, можно определить время жизни ₀неравновесных носителей заряд в ПП.

Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних или внутренних воздействий, в результате которых равновесная концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть не только облучение светом, но и ионизирующее облучение, воздействие сильного электрического воля, приводящее к разрыву ковалентных связей, и ряд других. В результате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носителей заряда, образующихся вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют неравновесными или избыточными. В полупроводниковых приборах неравновесное состояние в большинстве случаев возникает при введении в полупроводник (или выведении из него) дополнительных носителей заряда через электронно-дырочный переход.

После прекращения этого воздействия электроны и дырки рекомбинируют, и концентрация вновь становится равновесной.

До внешнего воздействия на полупроводник он находился в электрически нейтральном состоянии, при этом скорость тепловой генерации G, была равна скорости рекомбинации R.

В неравновесном состоянии это равенство нарушается. Появляются избыточные (неравновесные) носители, концентрация которых со временем уменьшается. Интервал времени, в течение которого концентрация избыточных носителей заряда уменьшается в е раз, называют временем жизни неравновесных носителей заряда.

При генерации резко возрастает число неосновных носителей заряда (ННЗ). Количество основных (ОНЗ) также возрастает, но относительное изменение их концентрации при этом незначительно (ННЗ<<ННЗ). Поэтому, время жизни избыточных (неравновесных) носителей заряда определяется временем жизни неосновных носителей заряда.

Время жизни зависит от вероятности рекомбинации. Прямая рекомбинация (рис.3.9,а), т.е. из зоны в зону, маловероятна, т.к. вероятность встречи двух движущихся хаотически электронов и дырок крайне мала. Максимальное время жизни при прямозонной рекомбинации бывает в собственном полупроводнике и оно не зависит от температуры. Такой механизм преобладает в GaAs.

Практически рекомбинация электронов и дырок происходит с участием ловушек, энергетические уровни которых находятся в запрещенной зоне полупроводника. В этом случае рекомбинация протекает в два этапа: сначала электрон переходит из зоны проводимости на свободный энергетический уровень ловушки, а затем на свободный энергетический уровень валентной зоны. Схематически этот процесс иллюстрирует рис. 3.9,б,в, или с заполненного уровня ловушки в валентную зону, а затем из свободной зоны на освободившийся уровень ловушки.

Рис. 3.9. Прямая рекомбинация и рекомбинация (а).

Рис. 3.9. Косвенная рекомбинация через незаполненные уровни примеси (б)

и заполненные (в).

Второй механизм рекомбинации более вероятен, т.к. здесь движется только один носитель заряда, и вероятность сближения их на расстояние, при котором возможна рекомбинация (0,1 нм), значительно выше, чем в случае, когда оба носителя заряда перемещаются по кристаллу.

При таком механизме максимальная скорость рекомбинации неравновесных носителей будет, если центры захвата находятся вблизи середины запрещенной зоны.

Веществами, имеющими энергетические уровни вблизи середины запрещенной зоны полупроводника являются медь, никель, кобальт, золото. Дефекты решетки, донорные и акцепторные примеси также могут создавать центры рекомбинации.

Чем больше дефектов в кристаллической структуре, тем меньше время жизни неосновных носителей заряда.

Время жизни неравновесных носителей зависит от вероятности заполнения ловушек, которая определяется концентрацией примесей и температурой.

При повышении концентрации примесей вероятность рекомбинации возрастает, и время жизни неравновесных носителей уменьшается. При увеличении температуры происходит дополнительная генерация электронно-дырочных пар, вследствие чего увеличивается время жизни τ_n в электронном полупроводнике и время жизни τ_p в дырочном полупроводнике.

Расстояние, на котором в однородном полупроводнике при одномерной диффузии в отсутствие электрического и магнитного полей избыточная концентрация неравновесных носителей уменьшится в 2.7 раза, т.е. среднее расстояние, на которое носители диффундировали за время жизни, называется диффузионной длиной.

Решая уравнение диффузии, можно получить выражение, связывающее диффузионную длину с временем жизни:

,(3.9)

где D – коэффициент диффузии носителей заряда соответствующего типа.