Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Поглощение света в полупроводниках

Исследование спектров фотопроводимости полупроводника применяется для оценки ширины запрещенной зоны, определения примесей и др. Оптические исследования позволяют измерять коэффициенты отражения и поглощения. По зависимости коэффициента поглощения от длины волны можно определить вид зонной структуры полупроводника.

Если в полупроводнике есть несколько видов поглощающих центров, то полный коэффициент поглощения есть сумма коэффициентов поглощения этих центров

. (4)

Следовательно, полный спектр поглощения складываетсяиз спектров поглощения различных поглощающих центров.

Рассмотрим основные виды поглощения в полупроводниках.

1 Собственное (фундаментальное) поглощение обусловлено поглощением фотона связанными электронами. При этом электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости. Собственное поглощение возможно, если энергия кванта света равна или больше энергетической ширины запрещенной зоны полупроводника.

2 Поглощение свободными носителями происходит в результате сообщения энергии фотона электронам в зоне проводимости или электронам в полностью заполненной валентной зоне.

3 Поглощение света решеткой полупроводника.Это поглощение приводит к изменению колебательной энергии атомов решетки полупроводника.

4 Примесное поглощение - поглощение света атомами примеси. При этом электрон переходит с примесных уровней в запрещенной зоне в зону проводимости или из валентной зоны на уровень примеси.

5 Экситонное поглощение - поглощение, при котором электронизвалентной зоны не переходит в зону проводимости, образуя с дыркой в валентной зоне связанную систему, которую называют экситоном.

Рассмотрим более подробно собственное поглощениесвета вполупроводнике. При собственном поглощении электроны в валентной зоне получают энергию от фотона, равную или большую ширины запрещенной зоны. Полупроводник в соответствии с конфигурацией энергетических зон делится на два вида. В первом типе полупроводников минимум энергии в зоне проводимости и максимум в валентной зоне расположены в одной точке К -пространства. У второго типа полупроводников экстремумы энергии в зоне проводимости и валентной зоне находятся при различных значениях волнового вектора. Большинство полупроводников относятся ко второму типу.

На рисунке 4 изображена зависимость энергии электронав зонепроводимости и валентной зоне в случае полупроводника первого типа от волнового вектора.

Рисунок 4 - Прямые переходы электрона из валентной зоны в зону проводимости

Переходы из валентной зоны в зону проводимости будут осуществляться между энергетическими состояниями, которые соответствуют минимуму энергии в зоне проводимости и максимуму энергии в валентной зоне. При таких переходах значение волнового вектора электрона практическинеизменяется (Δ К = 0). Эти переходы получили название вертикальных или прямых.

В случае непрямых переходов переход электрона из валентной зоны в зону проводимости сопровождается изменением квазиимпульса электрона (рисунок 5).

Рисунок 5 – Непрямые переходы электрона из валентной зоны в зону проводимости

Электрон, находящийся вблизи потолка валентной зоны, поглощая квант света, переходит взону проводимости с тем же волновым вектором К = 0 (переход 1-2).Этот переход является прямым. Электрон, поглощая квант света, может из валентной зоны (К = 0) перейти в зону проводимости в состояние с волновым вектором К ₁ ≠0. Такой переход является непрямым (переход 1-3). Переход в состояние 3 в зоне проводимости возможен двумя путями. Электрон без изменения волнового вектора (К ₁ =0) переходит в состояние 2. В валентной зоне появляется дырка. Электрон в состоянии 2 обладает большей энергией, чем ширина запрещенной зоны Δ Е.

Испуская квант колебательной энергии кристаллической решетки -фонон, - электрон переходит в состояние 3, соответствующее дну зоны проводимости (переход 2-3). Прямой переход осуществляется при взаимодействии двух частиц: фотона и электрона. При непрямых переходах участвуют три частицы: электрон, фотон и фонон. Следовательно, вероятность непрямого перехода меньше, чем прямого. Поэтому коэффициент поглощения света при прямых переходах больше, чем для непрямых.

Переход 4-3 возможен в случае поглощения фотона и фонона. Таким образом, наименьшая частота ν_гр (граница поглощения) должна удовлетворять следующему соотношению

hν_гр = Δ Е + Δ Е_φ, (5)

где Δ Е_φ - энергия фонона.

Ширина запрещенной зоны связана с краем собственного поглощения как для прямых, так и для непрямых переходов следующим выражением

Δ Е = hν_гр = hc/λ_кр = 1,24/ λ_кр, (6)

где с - скорость света в вакууме, м/с;

λ_кр - длина волны света, соответствующая границе поглощения.

Если определить λ_кр, то с помощью соотношения (6) можно найти ширину запрещенной зоны Δ Е. Положение границы собственного поглощения совпадает с границей собственной фотопроводимости. Поэтому определение λ_кр можно провести, измеряя спектральную зависимость фотопроводимости

σ (λ) = σ ₀ + σ_φ (λ). (7)

При λ = λ_кр, σ_φ (λ_кр)=0. Следовательно, длина волны света, при которой

исчезает фотопроводимость, будет совпадать с граничной длиной волны. Зная λ_кр, можно по формуле (6) определить ширину запрещенной зоны.

Схема экспериментальной установки

Схема установки для проведения измерений изображена на рисунке 6. Монохроматор МУМ 3 выделяет из спектра свечения лампы осветителя 1 определенную спектральную область, которой освещается фоторезистор 4. При этом его сопротивление уменьшается. Оно измеряется с помощью вольтметра РВ7-22А 5.

1 – осветитель с ЛН; 2 – источник питания; 3 – монохроматор МУМ; 4 - фоторезистор; 5 – вольтметр РВ7-22А

Рисунок 6 – Схема экспериментальной установки

Фототок через полупроводник может быть записан в виде

, (8)

где U – напряжение на фоторезисторе, В;

R_ф – его сопротивление, Ом.

Порядок выполнения работы

1 Включить источник питания для осветителя и вольтметр.

2 Вращая барабан длин волн на монохроматоре, установить длину волны 520 нм и измерить сопротивление фоторезистора с помощью вольтметра 5. Измерения проделать с шагом 10 нм до 760 нм и повторить три раза, затем рассчитать среднее значение сопротивления фоторезистора. Результаты занести в таблицу 1.

Продолжение таблицы 1

3 Так как напряжение на фоторезисторе остается постоянным, фототок на фоторезисторе обратно пропорционален его сопротивлению

I_ф ~ 1 / R_{ф ср}. (9)

Рассчитать 1 / R_{ф ср} для каждой длины волны, результаты занести в таблицу 1.

4 Определить 1 / R´_ф по формуле

1 / R´_ф = R_{ф ср}, (10)

где к - коэффициент, учитывающий интенсивность излучения ЛН на разных длинах волн и приведенный в таблице 1.

5 По полученным данным построить график зависимости 1 / R´_ф = 1 / R´_ф (λ) (рисунок 7).

Рисунок 7 – График зависимости 1 / R´_ф = 1 / R´_ф (λ)

Касательная к кривой спектральной зависимости 1 / R´_ф со стороны длинных волн пересекает ось λ в точке λ_кр.

6 Определить ширину запрещенной зоны по формуле (6).

Контрольные вопросы

1. Что такое фоторезистор?

2. Коэффициент усиления фоторезистора.

3. Конструкция фоторезисторов.

4. ВАХ фоторезисторов.

5. Световая характеристика фоторезисторов.

6. Спектральная характеристика фоторезисторов.

7. Постоянная времени.

8. Темновое сопротивление.

9. Удельная интегральная чувствительность.

10. Как определяется полный спектр поглощения полупроводника, если в нем имеется несколько видов поглощающих центров?

11. Основные виды поглощения в полупроводниках.

12. Два типа полупроводников в зависимости от конфигурацией энергетических зон.

13. Прямые переходы электронов в полупроводниках.

14. Непрямые переходы электронов в полупроводниках.

15. Что такое фонон?

16. Какому условию должна удовлетворять наименьшая частота излучения, поглощаемого полупроводником?

17. Как можно определить ширину запрещенной зоны, зная край собственного поглощения полупроводника?

18. Схема экспериментальной установки.

19. Как проводился эксперимент?

20. Как определялась λ_кр?

Список использованных источников

1 Денисов, Б.Н. Измерение параметров полупроводниковых материалов: Метод. указания к лабор. практикуму по физике полупроводников и полупроводниковых структур. Ч. 1 / Б.Н. Денисов, Е.М.Бибанина, В.И.Беглов. – Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004. – 36 с.

2 Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: Учебник. 5-е изд., стер. / В.В.Пасынков, В.С.Сорокин. – СПб.: Лань, 2003. – 368 с.

3 Пасынков, В.В. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. 7-е изд., испр. / В.В.Пасынков, Л.К.Чиркин. – СПб.: Лань, 2003. – 480 с.