Файл: Панков Ж. Оптические процессы в полупроводниках пер. с англ.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 183
Скачиваний: 3
338 |
Глава 14. Фотовольтаические эффекты |
поскольку этот процесс происходит с туннелированием, его ве роятность много меньше, чем вероятность рассмотренного выше процесса перехода между двумя зонами проводимости. Более того, за счет процесса 2 пе будет возникать фото-э. д. с., поскольку дырки будут переходить в металл.
б. Фотовольтаический эффект на барьере Шоттки
Если hv >» Eg, то электронно-дырочные пары, генерируемые в пределах барьера Шоттки, разделяются локальным полем и соз дают фото-э. д. с. между металлическим электродом и объемом полупроводника (фиг. 14.16). Фотовольтаические диоды с барье ром Шоттки могут быть выполнены в виде фотоэлементов большой
Ф п г. 14.16. Фотовольтаический эффект па барьере Шоттки.
площадп [16]. Равномерность распределения их чувствительности можно проверить при помощи скаппрованпя световым пятном, представления результата в виде топографической осциллограм мы [17].
в. Информация, получаемая пз данных по внутренней фотоэлектронной эмиссии
Спектральная зависимость фотовольтаического эффекта или фотопроводимости дает возможность определить высоту барьера. На фиг. 14.17 показаны две области: во-первых, большой фото ответ, соответствующий генерации пар при межзонных перехо дах (процесс, изображенный на фиг. 14.16); во-вторых, хвост, простирающийся в сторону меньших энергий и связанный с мигра цией горячих электронов из металла в полупроводник с перехо дом через барьер (процесс 1, фиг. 14.15). Порог при низких энер гиях равен, таким образом, высоте барьера. Предсказание теории о том, что интенсивность фотоэмиссии должна быть пропорцио нальна (hv — ФБ)2, согласуется с экспериментальными данными, представленными на фиг. 14.18 (пересечение прямой с осью абсцисс позволяет определить Фв).
Зависимость высоты барьера от работы выхода металла, опре деляемая соотношением (14.7), может быть проверена экспери-
340 Глава 14. Фотовольтаические эффекты
ментально (в предположении о постоянстве работы выхода для полупроводника). Работа выхода металла (электроотрицательность) известна из экспериментов по электронной эмиссии в ва куум, тогда как высота барьера может быть определена из данных по эмиссии электронов в полупроводник. Значения этих величин приведены па фиг. 14.19.
Однако, вообще говоря, высота барьера меняется медленнее, чем работа выхода, как это видно из данных, относящихся к CaAs,
|
показанных на фиг. 14.19. |
|||
|
Это расхождение приписы |
|||
|
вается влиянию поверхно |
|||
|
стных |
состояний [14, 18]. |
||
|
В случае большой плотно |
|||
|
сти поверхностных состоя |
|||
|
ний положение |
уровня |
||
|
Ферми |
на |
поверхности |
|
|
оказывается |
«привязан |
||
|
ным» к некоторому уровню |
|||
|
ниже середины запрещен |
|||
|
ной зоны. Это приводит к |
|||
|
образованию барьера Шот |
|||
|
тки еще до того, как полу |
|||
|
проводник приведен в кон- |
|||
|
Ф и г. 14.19. |
Высота |
барьера |
|
|
на контакте различных метал |
|||
|
лов с ZnS (влияние электронеіі- |
|||
|
тральностп) и с GaAs (влияние |
|||
Электроотрицательность |
поверхностных состояний) [14]. |
такт с металлом. В результате также фиксируется высота этого барьера. При контакте с металлом поверхностные состояния могут служить основным источником заряда, требуемого для того, чтобы уравнять положение уровней Ферми в полупроводнике и металле, при этом энергия, к которой «привязан» уровень Ферми на по верхности раздела, мало меняется по отношению к краям зон.
На фиг. 14.20 видно, что в случае полупроводника гс-тппа
высота барьера для электронов, находящихся в |
металле, |
ФБ, |
ие зависит от приложенного смешения V. Высота |
барьера |
для |
электронов полупроводника, Фь, будет зависеть от приложенного напряжения, так же как в р — п-переходе. Если уровень Ферми на поверхности «привязан» к уровню 2?0, а уровень Ферми в объеме
совпадает с краем |
зоны проводимости, то высота барьера Фв = |
||
= |
Фь = Е с — Е 0. |
Можно |
учесть изменение положения уров |
ня |
Ферми при различной |
степени легирования. Зависимость' |
342Глава 14. Фотовольтаические эффекты
Ес — Е 0 от Eg, представленная на фпг. 14.21, показывает, что для
многих полупроводников Е с — Е о = 2/ 3 Eg. Однако данные для некоторых веществ (InAs, InP, GaSb, GclTe п CdSe) не согла суются с этой зависимостью.
В случае полупроводника р-тина при условии Ф8 > Ф м барьер Шотткп препятствует движению потока дырок. Прп оптическом возбуждении электронов с уровней, лежащих на глубине, боль шей, чем Фвр под уровнем Ферми, возникают дырки, которые могут инжектироваться в полупроводник (фиг. 14.22). Порог
Ф п г. 14.22. Фотоэмпссия дырки в полупроводник р-тпиа.
спектральной чувствительности этого процесса равен Фвр. Изме рения Фвр в веществе p-типа иФв„ в веществе л-типа с различ ной степенью легирования (были взяты GaAs п Si) показали, что [19, 20]
(14.9)
Этот результат указывает, что распределение поверхностных со стояний по энергиям одинаково для образцов как л-, так и р-типа; таким образом, уровень Ферми всегда привязан к одной и той же энергии независимо от степени легирования.
Дальнейшие исследования спектрального порога внутреннего фотоэффекта показали, что по крайней мере в Si положение уровня Ферми иа поверхности фиксировано по отношению к краю ва лентной зоны; отсюда следует, что по отношению к краю ва лентной зоны должно быть фиксировано и распределение поверх ностных состояний [21]. Температурная зависимость порога, изме ренная на диодах, изготовленных путем нанесенп'я Au на Si л-типа, совпадает с температурной зависимостью ширины за прещенной зоны. Это означает, что изменение высоты барьера Е с — Е 0 связано только со смещением края зоны проводимости.
3. Детекторы частиц
Фотовольтаические детекторы излучения могут регистриро вать не только фотоны. Так, а-частнцы, глубина проникновения которых в полупроводник мала, можно детектировать при помощи барьера Шоттки, образованного на контакте между тонкой плен
§ 2. Фотовольтаические эффекты на барьерах Шоттки |
343 |
кой золота и Ge пли Si [22], а также между золотом п GaP |
[23]. |
В Ge и Si число генерируемых электронно-дырочных пар пропор ционально энергии а-частицы вплоть до 7,5 МэВ. Поскольку пары генерируются в обедненном слое, то можно измерить фото-э. д. с., вызванную а-частицей.
.Рентгеновские лучи могут возбуждать электроны, находя щиеся на внутренних атомных оболочках, создавая горячие носи тели, которые обладают энергией, достаточной для вторичной
Ф п г. 14.23. Спад ß-папряжеішя в ІпР после облучения нейтронами [27].
ионизации; в результате такого цепного процесса получается высо кий квантовый выход электронно-дырочных пар в расчете иа па дающий фотон 124].
В общем случае энергия падающей частицы расходуется иа образование вдоль ее трека облака пар, число, которых пропор ционально энергии частицы. В объемных детекторах частиц [25] попадание частицы вызывает резкое возрастание проводимости; энергия частицы может быть определена по величине этого изме нения. Объемные детекторы частиц применяются в комбинации с многоканальными анализаторами и счетчиками, которые сум мируют число актов ионизации поотдельнымканалам. Зависимость показаний счетчика от номера канала дает ступенчатый график энергетического спектра падающих частиц.
Очевидно, что в том случае, когда ионизация происходит только в р — 71-переходе или на барьере Шоттки, можно полу
чить значительный эффект. Однако поскольку большинство частиц обладают большой проникающей способностью (например,
344Глава 14. Фотовольтаические эффекты
у-лучи), то только те пары, которые генерируются в пределах диффузионной длины, будут давать вклад в наблюдаемый сигнал; пары, генерируемые в остальной части образца, будут потеряны. Объем области собпраппя можно увеличить, растягивая переход; этого можно добиться, вводя в кристалл Li при помощи дрейфог вой технологии [26].
Тепловые нейтроны представляют собой иеиоиизующпе части цы; тем не менее они могут создавать фото-э. д. с. в результате
довольно любопытного эффекта: в ІпР тепловые нейтроны вызы вают превращение Іи115 в радиоактивный изотоп In110, последний превращается в. Sn11Gв результате ß-распада с эмиссией электронов высоких энергий, которые в свою очередь могут генерировать электронпо-дырочные пары. При этом р — ?г-переход в ІпР реги стрирует эту ионизацию в виде сигнала э. д. с. [27]. Спад во вре мени этого «ß-напряжения» происходит с темп же характеристи ческими временами, что и распад In116, т. е. 13 с и 54,3 мии, как
это показано на фпг. 14.23.
§ 3. ОБЪЕМНЫЕ ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
1. Эффект Дембера
Сильно поглощаемое излучение может создавать вблизи поверхности полупроводника большую концентрацию электронно дырочных пар. Эти носители диффундируют из освещенной обла сти. Поскольку электропы обладают большей подвижностью, чем дырки, то электропиое облако продвинется дальше в глубь кри сталла, чем облако дырок. В отсутствие других эффектов такая разница в диффузии приведет к тому, что поверхность окажется положительно заряженной по отношению к объему. Возникающее электрическое поле иаправлепо таким образом, что оно ускоряет носители с меньшей подвижностью и замедляет более подвижные носители, поэтому суммарный ток равен нулю.
В отсутствие других электрических полей э. д. с. Дембера можно легко вычислить, решая уравиеиия диффузии
іе = q (Щ-Г Ага) V-etd + qDe - ^ r ,
ih = q(Po + Ap) p-hëo - |
qDh |
(14.10) |
, |
||
где g D — поле Дембера и An = |
Ар — концентрация неравно |
весных носителей. В стационарных условиях полная плотность тока, ] = ]'е + j h, равна нулю. Тогда, вычисляя иоле Дембера Шг и интегрируя его от поверхности до той точки, где концентра ция неравновесных носителей обращается в нуль (несколько длин