Фотопроводимость полупроводников

Фотопроводимостью называется явление, заключающееся в изменении проводимости полупроводника под воздействием электромагнитного излучения, не связанное с его нагреванием.

В отсутствие электромагнитного излучения проводимость полупроводника (называемая темновой проводимостью) определяется носителями заряда: электронами в зоне проводимости и дырками в валентной зоне, обусловленными термическим возбуждением (тепловой генерацией). Эти носители заряда: электроны с концентрацией n _o и дырки с концентрацией р _о - находятся в тепловом равновесии с кристаллической решеткой полупроводника и называются равновесными. Удельная темновая проводимость полупроводника s _о описывается уравнением:

где е - заряд электрона; m_n и m_р - подвижности электронов и дырок, соответственно.

При освещении полупроводника в результате поглощения квантов света с энергией, превышающей энергию активации носителей, возникают дополнительные (неравновесные) носители заряда. Процесс их возбуждения называют оптической генерацией. Проводимость освещенного полупроводника s в результате оптической генерации носителей возрастает на величину:

Здесь D s - удельная фотопроводимость полупроводника; D n = n - n _o - концентрации неравновесных электронов и дырок, соответственно.

Возбужденные носители могут участвовать в проводимости только в течение определенного времени, по истечении которого свободные носители исчезают. Время, которое носитель проводит в свободном состоянии (электрон - в зоне проводимости, дырка - в валентной зоне), называется временем жизни t свободного носителя.

Наиболее характерным процессом, определяющим время жизни, является рекомбинация - процесс воссоединения электрона и дырки. Скорость рекомбинации пропорциональна концентрации неравновесных носителей заряда. По этой причине, при освещении полупроводника фотопроводимость нарастает постепенно (рис.1).

По мере увеличения скорости рекомбинации скорость роста фотопроводимости уменьшается и спустя некоторое время устанавливается стационарная фотопроводимость, которой соответствуют стационарные концентрации неравновесных электронов D n _ст и дырок D р _ст, определяемые равенством скоростей генерации и рекомбинации носителей. при выключении света по той же причине фотопроводимость спадает до нуля также постепенно. Кривые нарастания и спада фотопроводимости называются кривыми релаксации фотопроводимости.

В примесном полупроводнике р -типа при выполнении условий р _о >> n _o и D n << p _o наблюдается так называемая линейная рекомбинация носителей, и рост фотопроводимости описывается уравнением:

(1)

а ее спад - уравнением:

(2)

где D s _о - стационарное значение фотопроводимости; t _о - время жизни электрона; t - время.

То есть нарастание и спад фотопроводимости при включении и выключении света в случае линейной рекомбинации неравновесных носителей заряда происходит по экспоненциальному закону с постоянной времени релаксации, равной времени жизни пары (электрон - дырка) неравновесных носителей заряда. Следовательно, исследуя релаксационные кривые фотопроводимости, можно непосредственно определить время жизни t неравновесных носителей заряда (t = t_n = t_p).

Фотодиоды на основе p-n перехода

При попадании кванта света, с энергией hV в полосе собственного поглощения в полупроводнике возникает пара неравновесных носителей – электрон и дырка. При регистрации электрического сигнала необходимо зарегистрировать изменение концентрацией носителей. Очевидно, что при прочих равных условиях зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей проще.

Так, например, в NGaAs с легирующей концентрацией 10¹⁴, концентрация основных носителей электронов составляет 10¹⁴sm^-3, а концентрация неосновных носителей – дырок – 1sm^-3. Поэтому, если при оптическом поглощении в фотоприемнике на основе GaAs возникает 10¹⁰ неравновесных носителей, то проще зарегистрировать изменение концентрации неосновных носителей.

В фотодиодах на основе p-n переходов как раз и реализован принцип регистрации изменения концентрации неосновных носителей под влиянием внешнего излучения. Обратный ток p-n перехода обусловлен дрейфовыми компонентами тока и выражается

(5.3.1)

Изменение концентрации неосновных носителей вызывает изменение фототока. Величина фототока выражается соотношением:

(5.3.2)

Поскольку

(5.3.3)

То величина фототока будет:

(5.3.4)

где G темп генерации неравновесных носителей.

(5.3.5)

Здесь h–квантовый выход, a – коэффициент поглощения и φ – падающий световой поток.

Рисунок 5.4 Вольтамперная характеристика фотодиода.

Неосновные носители, возникающие под действием светового потока, должны формироваться на расстоянии порядка диффузионной длины от обедненной областиp-n перехода для того, чтобы принять участие в обратном токе диода. Характерные параметры диффузионная длина L_p порядка 100мкн, а ширина обедненной областиp-n перехода 1мкн. Поэтому, основной фототок в фотодиоде обусловлен поглощением в квазинейтральном объеме, и время отклика фотодиода будет определяться временем жизни неосновных носителей.

Две характеристики pn-фотодиодов ограничивают их применение в большинстве волоконно-оптических приложений. Во-первых, обедненная зона составляет достаточно малую часть всего объема диода, и большая часть поглощенных фотонов не приводит к генерации тока во внешнем контуре. Возникающие при этом электроны и дырки рекомбинируют на пути к области сильного поля. Для генерации тока достаточной силы требуется мощный световой источник. Во-вторых, наличие медленного отклика, обусловленного медленной диффузией, замедляет работу диода, делая его непригодным для средне- и высокоскоростных применений. Это позволяет использовать диод только в килогерцовом диапазоне.