Файл: Прикладная электролюминесценция..pdf

дующих элементарных соображений. Предположим, для определен­ ности, что полупроводник имеет электронную темновую и фотопро­ водимость. Это будет, например, если он легирован донорами в кон­ центрации Na и имеет N a акцепторов в качестве загрязнения (N a< < N д). В темноте все акцепторы будут заполнены электронами, в ре­ зультате чего А/а доноров окажется пустыми. Еще некоторое коли­

Для возникновения фотопроводимости достаточно, чтобы падаю­ щий на этот полупроводник свет освобождал электроны из доноров. При не слишком, больших Р, пока сохраняется неравенство Ж А Д , концентрация пустых доноров будет мало зависеть от Р, следова­ тельно, останется неизменной и вероятность захвата ими свободных электронов. При этих условиях п ~ Р . Если же величина Р такова, что n^>Nа, то увеличение п в несколько раз будет приводить к та­ кому же увеличению концентрации пустых доноров. Во столько же

доноров не может сильно возрасти даже при больших Р. В этом случае «корневой» участок на люмен-амперной характеристике будет отсутствовать, если возбуждающий фотопроводимость свет не мо­ жет освобождать электроны из валентной зоны. Если же освобож­ дение электронов возможно, то корневой участок сохраняется, но при еще больших Р. Если полупроводник содержит еще и мелкие доноры (ловушки электронов), то может отсутствовать линейный участок. Это возможно, если концентрация мелких доноров равна Na. Наличие мелких ловушек сильно влияет также и на инерцион­ ность фотопроводимости.

Инерционность фотопроводимости имеет ту, же природу, что и инерционность рекомбинационной . фотолюминесценции. В обоих случаях причиной является конечность времени жизни электронов на ловушках. Так, если возбуждающий свет освобождает электро­ ны с глубоких уровней, то при отсутствии мелких ловушек инер­ ционность . фотопроводимости будет очень мала — порядка времени жизни свободных электронов до их захвата. Однако реальный фото­ проводник с широкой запрещенной Зоной всегда имеет некоторое

.количество ловушек, более мелких, чем те, на которых электроны находятся в темноте. На эти ловушки электроны также могут по­ падать во время возбуждения (захватываясь из зоны проводимости) и, пока их концентрация на этах ловушках не станет достаточно большой, захват будет преобладать над освобождением. В резуль­ тате концентрация свободных электронов, а вместе с ней и фото­ проводимость в течение некоторого времени будут меньше стацио­

46

что понижение темновой проводимости обычно достигается путем введения более глубоких ловушек.

Спад фотопроводимости после прекращения возбуждения про­ текает по разным законам в зависимости от тех же условий, от ко­ торых зависит и люкс-амперная характеристика. Так, если эта ха­ рактеристика линейна, то после выключения возбуждения проводи­ мость обычно спадает по экспоненциальному закону. Величина т в этом законе пропорциональна времени жизни электронов на тех ловушках, куда они попали во время возбуждения, и обратно про­ порциональна вероятности захвата электронов теми донорами,

Рис. 1.13. Зонная схема гетерогенного (неоднородного) полупровод­ ника. -

а — при малом V-, б — при большом U.

откуда их освободил возбуждающий свет. Если же фотопроводник имеет мелкие ловушки нескольких сортов, различающиеся между собой по глубине, то закон спада фотопроводимости будет сложным! Приблизительно его можно описать суммой экспонент с т, соответ­ ствующими каждому сорту ловушек.

Если стационарная фотопроводимость пропорциональна корню квадратному из интенсивности возбуждающего света, то спадает она обычно по гиперболическому закону. Происходит это по той же причине, по которой после прекращения возбуждения спадает по гиперболическому закону яркость люминесценции: с течением време­ ни уменьшается концентрация незанятыхэлектронами доноров (или акцепторов), а вместе с ней уменьшается и вероятность возвраще­ ния на них электронов из зоны проводимости.

Однако если люминесценция и фотопроводимость наблюдаются в одном и том же полупроводнике, то количественно законы слада яркости и фотопроводимости различаются. Яркость всегда спадает быстрее, так как она пропорциональна произведнию двух сомно­

47

потерявших электрон акцепторов) вызывает увеличение инерцион­ ности фотопроводимости. Так, если уменьшить интенсивность воз­ буждающего фотопроводимость света, то ее инерционность возра­ стает приблизительно обратно пропорционально корню квадратному из интенсивности возбуждения.

При повышении температуры инерционность фотопроводимости обычно уменьшается, так как из-за возросшей вероятности тепло­ вого освобождения электронов уменьшается время их жизни на всех уровнях.

Роль пространственного заряда

Нередко фотопроводники характеризуют величиной квантового выхода фотопроводимости, т. е. отношением количества прошедших через него электронов к числу упавших на фотопроводник квантов света. Эта харак­ теристика зависит от приложенного напряжения. Дей­ ствительно, как видно из формулы (1.17), ток, а следова­ тельно, и число прошедших сквозь фотопроводник элек­ тронов возрастают с ростом имеющегося в нем поля. Нередко ток бывает настолько велик, что каждый упав­ ший на фотопроводник квант света вызывает прохож­ дение сквозь него многих сотен и даже тысяч электро­ нов. Происходит это потому, что в фотопроводнике со стороны катода образуется положительный заряд, кото­ рый вытягивает из материала катода все новые и новые электроны, проходящие затем сквозь фотопроводник к аноду. Это будет до тех пор, пока заряд не нейтра­ лизуется в результате рекомбинации с проходящими сквозь, него электронами.

При данном напряжении величина квантового выхо­ да тесно связана с инерционностью фотопроводника. Действительно, чем дольше сохранится пространственный заряд, тем больше электронов успеет пройти сквозь фото­ проводник. Но в течение этого времени свет, создавший этот заряд, может быть выключен, а высокая проводи­ мость останется. Это и означает, что фотопроводимость инерционна, причем ее инерционность будет пропорцио­ нальна времени жизни пространственного заряда, а сле­ довательно, и квантовому выходу фотопроводимости.

Появление пространственного заряда в фотопровод­ нике вызывает также зависимость фотопроводимости от величины приложенного напряжения. На опыте она на-

48

блюдается довольно часто, хотя согласно рассмотренной ?ыше простой модели должна отсутствовать. Обычно эта зависимость появляется в тех случаях, когда фотопро- ■водник неоднороден. К таким полупроводникам относит­ ся часто применяемый в устройствах с предпробойной электролюминесценцией поликристаллический сульфид кадмия, . полученный из порошкообразного материала, например, методом спекания или прессования или про­ сто путем склеивания каким-либо связующим веществом отдельных крупинок порошка.

Во всех этих случаях в фотопроводнике существует

•множество границ между зернами, на который имеются потенциальные барьеры (см. рис. 1.13,а). Эти барьеры ограничивают сквозное прохождение тока. Под действи­ ем приложенного напряжения форма барьеров изменя­ ется таким образом, что уменьшается их эффективная высота (см. рис. 13,6). Это приводит к экспоненциаль­ ному увеличению вероятности прохождения через барьер всех электронов — как созданных возбуждающим светом, так и тех, которые были в зоне проводимости, когда фотопроводник находился в равновесии. В результате с ростом приложенного напряжения возрастает как фо­ то-, так и темновая проводимость. Фотопроводимость при этом может начать сверхлинейно зависеть от осве­ щенности, так как при освещении происходит освобож­

в нем и, следовательно, к его снижению, а это в свою очередь, вызывает дополнительное возрастание фототока.

При малых напряжениях, когда разность потенциа­ лов на барьере меньше kTje, форма барьера постоянна и ток линейно зависит от напряжения, а затем, как уже говорилось, наступает быстрый рост тока. При очень больших напряжениях происходит полный пробой барь­ еров и начинается омическая область (линейная зави­ симость тока от напряжения). Дальнейшее повышение напряжения должно привести к области токов, ограни­ ченных пространственным зарядом. Практически рабо­ чее напряжение лежит обычно в области нелинейной вольт-амперной характеристики, и поэтому необходимо оценить следствия, вытекающие из этого.

Не менее важным отличием гетерогенных (неоднород­ ных) слоев является запаздывание изменения тока при изменении приложенного напряжения. Иногда запазды-

Мнйе достигает десятков секунд [Щ. Этот эффект бу­ дем называть инерционностью по напряжению в отличие от инерционности по свету, которую мы назовем просто инерционностью фотопроводника. Инерционность по на­ пряжению происходит потому, что для концентрации на­ пряжения на барьере необходимо некоторое время, ко­ торое может быть сравнимо или даже больше периода приложенного напряжения. В результате этого за время, пока приложенная разность потенциалов сохраняет свой знак, иоле не успевает сконцентрироваться, что как бы эквивалентно уменьшению приложенной разности потен­ циалов.

При переменном напряжении не будет достигаться стационарное значение тока. Для порошковых структур типа CdS ток при переменном напряжении примерно на порядок ниже тока при постоянном напряжении (ста­ ционарное значение). Это эквивалентно десятикратному возрастанию сопротивления полупроводника при перехо­ де к переменному напряжению. Ниже будет показано, что этот эффект ухудшает параметры порошковых сло­ ев фотопроводника.

Особенности фотопроводников приходится учитывать при конструировании устройств, в которых фотопрово­ дящие части так или иначе сопряжены с электролюминесцирукжцими. Так, фотопроводники типа сульфида кад­ мия имеют высокое сопротивление. Даже при освещении проводимость их по абсолютной величине остается не­ большой, хотя она может во много раз превышать темновую проводимость. Такие фотопроводники хороши для работы в совокупности с высокоомными светящимися элементами, например с электролюминесцентными кон~ денсаторами на основе сульфида цинка. Инжекционные источники света, напротив, имеют малое сопротивление. С ними лучше сочетаются низкоомные фотопроводники. Их фотопроводимость обычно не зависит от напряжения и часто бывает пропорциональна интенсивности возбуж­ дения.

Иногда (особенно, с инжекционными источниками света) в качестве фотопроводников применяют так на­ зываемые фотодиоды *. Фотодиод представляет собой р—п переход, включаемый в запорном направлении и

* Их ие следует смешивать со светодиодами — так иногда назы­ вают инжекционные источники света.

50

сконструированный так, что его можно освещать светом, возбуждающим фотопроводимость. Прикладываемое при этом напряжение должно быть недостаточным для воз­ никновения ударной ионизации. Ток сквозь такой пере­ ход определяется количеством электронов и дырок, воз­ никающих под действием возбуждающего света в обла­ сти, где сосредоточен пространственный заряд. Он в ши­ роких пределах пропорционален интенсивности возбуж­ дения.

На этом мы заканчиваем изложение основных пред­ ставлений по физике электролюминесценции и фотопро­ водимости. Желающим углубить свои знания по этим вопросам рекомендуем прочитать книги Хениша [21], Бьюба [22], конспект лекций по электролюминесценции [23], изданный в Тарту в 1968 г., книгу Роуза [24], а так­ же посвященный электролюминесценции том Трудов ФИАН [25] и Сборники трудов III и IV совещания по электролюминесценции [26], [27]

4*