35

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный педагогический университет»

Физико-математический факультет

Кафедра физики ,МПФ и СОТ

Курсовая работа по физике

Фоточувствительные полупроводники

Направление подготовки: педагогическое

Профиль подготовки: физика

Форма обучения: очно-заочная(вечерняя)

Выполнил студент 2 курса:

Крюнькин Александр Анатольевич

Научный руководитель:

Искандеров Наиль Файзрахманович

кандидат педагогических наук, доцент

«___» _______________201_г.

Оренбург,2013г

Оглавление

Введение…………………………………………………………………….3

Глава I. Общие сведения о полупроводниках

1. Полупроводники с собственной электропроводностью……………6

2. Полупроводники с электронной электропроводимостью………….11

3. Полупроводники с дырочной электропроводимостью…………….14

Глава II. Фоточувствительные полупроводники:………………………16

2.1 Фотопроводимость полупроводников……………………………….16

2.2 Механизмы поглощения энергии в полупроводниках…………….19

2.3 Эффект Дембера………………………………………………………21

2.4 Фотоэлектромагнитный эффект…………………………………….22

2.5 Фотоэффект на барьере Шоттки……………………………………24

Глава III. Применение полупроводников

3.1Лазеры с квантовыми ямами и точками …………………………….29

3.2 Фотоприемники на квантовых ямах

Заключение ……………………………………………………………...33

Литература……………………………………………………………….35

ВВЕДЕНИЕ

Физика полупроводников, раздел физики, в котором исследуются электрические, оптические, магнитные, тепловые и другие свойства полупроводниковых материалов - широкого класса неорганических и органических веществ - и структур на их основе. Свойства полупроводников сильно зависят от внешних воздействий, а также наличия атомов примеси и собственных дефектов структуры (кристаллической решетки). С открытия Фарадеем в 1833 г. полупроводниковых свойств у Ag2S их отличительным признаком остается увеличение концентрации носителей заряда при нагревании, которое приводит к уменьшению электрического сопротивления материала. В отличие от металлов (проводников электричества) для полупроводников характерна чувствительность к свету (фотопроводимость, люминесценция), электрическому полю (не линейные электрические свойства, электрический пробой), ионизирующему излучению (радиационная физика) и др. Полупроводники оптимально сочетают чувствительность к внешним воздействиям и возможность контролируемого формирования в них элементов с различающимися свойствами. Благодаря этому физика полупроводников служит научным фундаментом для опто-, микро- и наноэлектроники, во многом определяющих технический прогресс современного общества. Изучение фоточувствительных полупроводников вызывает сейчас наибольший интерес, так как с данными исследованиями связаны многие перспективные разработки, такие как создание OLED-дисплеев, светочувствительных материалов (например, для процессов записи информации), в микроэлектронике, для изготовления различного рода датчиков. Исследование полупроводников важно для понимания процессов преобразования и переноса энергии в сложных физико-химических системах Таким образом, рассмотрение в качестве темы курсовой работы «Фоточувствительные полупроводники» является актуальным. Объектом исследования являются фоточувствительные полупроводники. Предметом исследования являются конкретные свойства полупроводников.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- дать общую характеристику класса проводников, рассмотрев их классификацию, собственную и примесную проводимость;

- дать характеристику класса фоточувствительных полупроводников, привести характеристику отдельных соединений относящихся к данному классу, рассмотреть особенности фоточувствительности полупроводников.

- рассмотреть перспективы практического применения класса фоточувствительных полупроводников, экспериментальные разработки в данной области.

Важность замены радиоламп полупроводниковыми диодами и триодами достаточно хорошо известна. Все знают, что в отличие от вакуумных ламп новые приборы потребляют во много раз меньше электроэнергии, они не требуют предварительного подогрева, не боятся сотрясений, обладают громадной прочностью и долговечностью, что их можно изготовлять небывало малого размера. Ван Арденсу в ГДР удалось ввести полупроводниковую радиостанцию в человеческий желудок, а недавно у нас демонстрировали искусственный протез, в котором движения управлялись биотоками живого человека.Выпрямители переменного тока из закиси меди и селена приводили к энергетическим потерям порядка 30%. Теперь, в эпоху германия и кремния, новые выпрямители снизили потери до 1-2% и решают задачи электролиза алюминия и других металлов, применяются на электротранспорте и ряде иных мест, где нужен постоянный ток.

Третья область применения полупроводников - фотоэлементы - уже сделалась широко известной благодаря их использованию в спутниках и космических кораблях, где солнечные лучи становятся единственным и неизменным источником энергии. 10-15% этой энергии фотоэлементы превращают в электроэнергию. Однако стоимость кремниевых фотоэлементов еще настолько высока, что пока преждевременно говорить о больших масштабах превращения солнечной энергии в электрическую.

Нельзя не упомянуть о полупроводниках, концентрирующих магнитные и электрические поля (о ферритах и сегнетоэлектриках), измерительных приборах, стабилизаторах напряжения и многом другом, что характеризует современный этап техники и неосуществимо без полупроводников.

Можно резюмировать все то, что дали нам полупроводники и чего еще ждут от них.

1. Превращение почти без потерь энергии переменного тока в постоянный от долей ватта до тысяч киловатт.

2. Замена радиоламп с большой экономией электрической энергии при ничтожных габаритах, что сильно расширит область применения радиотехники и электроники.

3. Значительное упрощение и улучшение средств сигнализации, телеуправления и автоматизации производственных процессов.

4. Упрощение электронно-счетных устройств и создание систем, решающих самые сложные задания промышленности и сельского хозяйства.

5. Совершенствование измерительной техники.

6. Стабилизация напряжений и токов и преобразование всех параметров электрических схем.

7. Разработка фотоэлементов, превращающих световую энергию в электрическую. Использование солнечной энергии с помощью, как термоэлементов, так и фотоэлементов.

8. Создание сегнетоэлектриков и ферритов, концентрирующих магнитные и электрические поля и превращающих электрическую и магнитную энергию в механическую, звуковую и другие виды энергии.

1 Общие сведения о полупроводниках.

1.1 Полупроводники с собственной электропроводностью

К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от темпера­туры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений. В создании электрического тока могут принимать учас­тие только подвижные носители электрических зарядов. Поэтому электропроводность вещества тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится под­вижных носителей электрических зарядов. В металлах прак­тически все валентные электроны (являющиеся носителя­ми элементарного отрицательного заряда) свободны, что и обусловливает их высокую электропроводность. Например, удельное сопротивление меди =0,01710^-6 Омм. В диэлектриках и полупроводниках свободных носителей зна­чительно меньше, поэтому их удельное сопротивление вели­ко. Например, для диэлектрика полиэтилена

= 10¹⁵ Омм, а для полупроводника кремния = 210³ Омм.

Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температу­ры оно, как правило, уменьшается на 5...6% на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопро­тивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полу­проводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси.

Большинство применяемых в настоящее время полупро­водников относится к кристаллическим телам, атомы кото­рых образуют пространственную решетку. Взаимное при­тяжение атомов кристаллической решетки осуществляет­ся за счет ковалентной связи, т. е. общей пары валентных электронов, вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов. Согласно принципу Паули, общую орбиту могут иметь только два электрона с различными спинами, поэто­му число ковалентных связей атома определяется его ва­лентностью. Каждой орбите соответствует своя энергия электрона. Электрон в атоме обладает только некоторыми, вполне определенными значениями энергии, составляющими со­вокупность дискретных энергетических уровней атома.В процессе образования кристаллической решетки меж­ду атомами возникает сильное взаимодействие, приводя­щее к расщеплению энергетических уровней, занимаемых электронами атомов (рисунок 1.1). Совокупность этих уров­ней называют энергетической зоной. Число подуровней в каждой зоне определяется числом взаимодействующих атомов.

Разрешенные энергетические зоны 1, 3 отделены друг от друга запрещенной зоной 2. Запрещенная зона объ­единяет уровни энергий, которые не могут принимать электроны ато­мов данного вещества. Поскольку ширина разрешенных зон в твер­дом теле не превосходит несколь­ко электрон-вольт (эВ), а число атомов в 1 см³ достигает 10²², раз­ность между уровнями составляет 10^-22 эВ. Таким образом, в преде­лах разрешенной зоны получается практически непрерывный спектр энергетических уровней.

Верхняя разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле тем­пературы все энергетические уров­ни заняты, называется заполненной или валентной зоной (на рисунке 1.1. это зона 3). Разрешенная зона, в которой при Т = 0 К элек­троны отсутствуют, называется свободной (на рисунке 1.1 это зона 1).

Рис. 1.1. Энергетическая

диаграмма кристалла при Т=0 К.

Ширина запрещенной зоны (зона 2 на рисунке 1.1) является важным параметром, определяющим свойства твердого тела. Вещества, у которых ширина запрещенной зоны W 3 эВ, относятся к полупроводникам, а при W > 3 эВ - к ди­электрикам. У металлов запрещенная зона отсутствует.

В полупроводниковой электронике широкое примене­ние получили германий (W = 0,67 эВ) и

кремний (W =1,12 эВ) - элементы 4-й группы периодической систе­мы. На плоскости кристаллическую решетку этих элемен­тов изображают так, как показано на рисунке 1.2, а. Здесь кружками с цифрой 4 обозначены атомы без валентных элект­ронов, называемые атомным остатком с результирующим зарядом +4q (q - заряд электрона, равный 1,610^-19 Кл). При температуре абсолютного нуля (0 К) все электроны находятся на орбитах, энергия электронов на которых не превышает энергетических уровней валентной зоны. Сво­бодных электронов нет, и полупроводник ведет себя, как диэлектрик.

При комнатной температуре часть электронов приобре­тает энергию, достаточную для разрыва ковалентной свя­зи (рисунок 1.2, а). При разрыве ковалентной связи в валент­ной зоне появляется свободный энергетический уровень (рис. 1.2, б). Уход электрона из ковалентной связи сопро­вождается появлением в системе двух электрически свя­занных атомов единичного положительного заряда, полу­чившего название дырки, и свободного электрона.

Рис 1.2. Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с собственной электропроводностью.

Разрыв ковалентной связи на энергетической диаграм­ме характеризуется появлением в валентной зоне свобод­ного энергетического уровня (см. рис. 1.2, б), на который может перейти электрон из соседней ковалентной связи. При таком перемещении первоначальный свободный энер­гетический уровень заполнится, но появится другой сво­бодный энергетический уровень. Следователь­но, дырку можно считать подвижным свободным носите­лем элементарного положительного заряда. Процесс обра­зования пар электрон-дырка называют генерацией сво­бодных носителей заряда. Очевидно, что количество их тем больше, чем выше температура и меньше ширина за­прещенной зоны. Из-за про­цессов генерации и рекомбинации носителей зарядов при данной температуре устанавливается определенная концен­трация электронов в зоне проводимости n_i, и равная ей концентрация дырок p_i, в валентной зоне. Из курса физики известно, что

(1.1)

где W_ф - уровень Ферми, соответствующий уровню энер­гии, формальная вероятность заполнения которого равна 0,5 W_ДН - энергия, соответствующая "дну" зоны проводимости; W_В - энергия, соответствую­щая "потолку" валентной зоны; А_n, А_р - коэффициенты пропорциональности; k - постоянная Больцмана, равная 1,3710^-23 Дж/град; Т- абсолютная температура, К. В химически чистых полупроводниках уровень Ферми совпадает с серединой запрещенной зоны W_i.

Рис 1.3 Зависимость концентрации собственной электропроводности

носителей от температуры.

1.2 Полупроводники с электронной электропроводностью

При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов (фосфора Р, сурьмы Sb) атомы приме­сей замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рис. 1.4, а). Четыре электрона атома примеси вступают в связь с четырьмя валентными электронами со­седних атомов основного полупроводника. Пятый валент­ный электрон слабо связан со своим атомом и при сообще­нии ему незначительной энергии, называемой энергией ак­тивации, отрывается от атома и становится свободным. Примеси, увеличивающие число свободных электронов, на­зывают донорными или просто донорами. Доноры подби­рают таким образом, чтобы их энергетические уровни W_д располагались в запрещенной зоне вблизи дна зоны про­водимости основного полупроводника (рис. 1.4, б). Посколь­ку концентрация доноров в большинстве случаев не пре­вышает 10¹⁵...10¹⁷ атомов в 1 см³, что составляет

10^-4 % атомов основного вещества, то взаимодействие между атомами доноров отсутствует и их энергетические уровни не разбиваются на зоны.

Малая энергия активизации примесей, равная 0,04-0,05 эВ для кремния и 0,01-0,13 эВ для германия, уже при ком­натной температуре приводит к полной ионизации 5-ва­лентных атомов примесей и появлению в зоне проводимо­сти свободных электронов. Поскольку в этом случае появ­ление свободных электронов в зоне проводимости не со­провождается одновременным

Рисунок 1.4 Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с электронной электропроводностью.

увеличением дырок в валент­ной зоне, в таком полупроводнике концентрация электро­нов оказывается значительно больше концентрации дырок. Дырки в полупроводниках образуются только в результате разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества.

Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводни­ками n-типа.Подвижные носители заряда, преобладающие в полу­проводнике, называют основными. Соответственно те но­сители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупровод­ника. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки. В состоянии теплового равновесия в таком полупроводнике концентрации свободных электронов () и дырок () определяются соотношениями:

; . (1.3)

С учетом соотношений (1.1) выражения (1.3) можно представить в следующем виде:

; (1.4) . (1.5)

Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выполняется неравенство .Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в положительные ионы. В отли­чие от дырок положительные ионы прочно связаны с кри­сталлической решеткой основного полупроводника, явля­ются неподвижными положительными зарядами и, следо­вательно, не могут принимать непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике.Если считать, что при комнатной температуре все ато­мы донорных примесей ионизированы (= N_д, 0), на основании выражения (1.4) можно записать:

, (1.6)

где N_д - концентрация донорных атомов в полупровод­нике.Из соотношения (1.6) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации основных атомов полупроводника.Повышение концентрации электронов в данном полу­проводнике значительно снижает его удельное сопротив­ление. Например, чистый кремний имеет = 210³ Ом м, а легированный фосфором - (0,25...0,4)10² Омм.

1.3 Полупроводники с дырочной электропроводностью

Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами 3-валентного элемента (галлия Ga, ин­дия In), то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона (рис. 1.5, а). Этот электрон может быть получен от атома основного элемента полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к появлению дырки, так как сопровождается образованием свободного уровня в валент­ной зоне. Примеси, захватывающие электроны из валент­ной зоны, называют акцепторными или акцепторами. Энергия активизации акцепторов составляет для германия 0,0102-0,0112 эВ и для кремния 0,045-0,072 эВ, что значи­тельно меньше ширины запрещенной зоны беспримесного полупроводника. Следовательно, энергетические уров­ни примесных атомов располагаются вблизи валентной зоны (рис. 1.5, б). Ввиду малого значения энергии активизации акцепто­ров уже при комнатной температуре электроны из валент­ной зоны переходят на уровни акцепторов. Эти электро­ны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы, теряют способность перемещаться по кристаллической решетке, а образовавшиеся при этом дырки могут участво­вать в создании электрического тока.За счет ионизации атомов исходного материала из валентной зоны часть электронов попадает в зону прово­димости. Однако электронов в зоне проводимости значи­тельно меньше, чем дырок в валентной зоне. Поэтому дыр­ки в таких полупроводниках являются основными, а элек­троны - неосновными

Рисунок 1.5 Условное изображение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с дырочной электропроводностью.

подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников р-типа. В состоянии теплового равновесия концентрация дырок в полупроводнике р-типа () и свободных элек­тронов () определяется из соотношений:

; (1.7) (1.8)

Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что для полупро­водника р-типа выполняется неравенство .Если считать, что при комнатной температуре все акцеп­торные атомы ионизированы, т. е. =0, то на основании соотношения можно записать: , (1.9)

где N_a - концентрация акцепторных атомов в полупровод­нике.Соотношение (1.9) показывает, что уровень Ферми в полупроводнике р-типа располагается в нижней половине запрещенной зоны, так как N_a >> n_i, и при повышении температуры смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации атомов основного полупроводника.Кроме того, на основании уравнений (1.4), (1.5), (1.7) и (1.8) можно записать следующее выражение:

(1.10)

которое показывает, что введение в полупроводник приме­сей приводит к увеличению концентрации одних носите­лей заряда и пропорциональному уменьшению концентра­ции других носителей заряда за счет роста вероятности их рекомбинации.

2.Фоточувствительные полупроводники:

2.1. Фотопроводимость полупроводников

Оптическое излучение при взаимодействии с кристаллом полупроводника частично поглощается, частично отражается от его поверхности или проходит через кристалл без поглощения. Доли проходящей, отраженной и поглощенной энергии излучения оценивают для полупроводниковых материалов соответствующими коэффициентами. Различают коэффициент пропускания Тф - отношение мощности Рпр, прошедшей через кристалл полупроводника, к мощности падающего излучения на его поверхность Рпд; коэффициент отражения Rф - отношение отраженной мощности Ротр от поверхности кристалла к мощности падающего излучения Рпд; коэффициент поглощения бф (см-1), численно равный значению обратного расстояния от поверхности полупроводника, на котором первоначальная мощность падающего излучения уменьшается в е раз, где е - основание натурального логарифма.Коэффициент поглощения бф является постоянной уменьшения мощности излучения по координате x, направленной в глубь полупроводника, по нормали к его поверхности, т.е. dP/dx = -бф. Тогда

Р(x) = Pпд(0)е-бфx,

где Рпд(0) - мощность излучения, падающего на поверхность полупроводника, Вт. В фотометрии мощность излучения определяется через световой поток или поток излучения Ф(лм). Обе величины Р и Ф связаны между собой через характеристику, учитывающую особенности восприятия излучения человеческим глазом на каждой длине излучения л и называемую спектральной видностью, т.е. sл = Ф/Р. Тогда из формулы после умножения на sл получим Ф(x) = Фпд(0)е(-бфx)

Число фотонов, падающих на единицу поверхности полупроводника в 1 с при монохроматическом световом потоке, называется плотностью фотонов N(0). С учетом плотности световой поток записывается в виде Ф= hнN0. Световой поток, взаимодействующий с кристаллом, учитывая коэффициент отражения Rф, определим как Ф(x)=(1-Rф)N0hнexp(-бфx). Изменение плотности поглощенных фотонов с глубиной x находим из выражения dN/dx= - (1 - Rф)N0exp(-бфx),

где знак «-» указывает, что плотность фотонов убывает с глубиной из-за поглощения.Зависимость коэффициента поглощения от длины волны излучения (частоты, энергии кванта) называют спектром поглощения. Типовой спектр поглощения полупроводника бф=ц(л) показан на рисунке 1 (сплошная и штрихпунктирная линии). Отдельные области спектра с локальными максимумами коэффициента поглощения соответствуют различным механизмам поглощения энергии излучения в полупроводниках.

Рисунок 2. 1 - Спектр поглощения полупроводника

полупроводник фотоприемник чувствительность спектральный

Отраженное от поверхности кристалла излучение исключается из процесса взаимодействия кристалла с полупроводником. В фотоэлектрических приборах стремятся снизить долю отраженной энергии, уменьшая коэффициент отражения, и повысить долю поглощенной, увеличивая коэффициент поглощения, так как только поглощенная энергия вызывает генерацию свободных носителей в полупроводниках. Один из способов уменьшения коэффициента отражения заключается в изменении условий отражения электромагнитной волны от поверхности кристалла. Если необходимо уменьшить коэффициент отражения на одной частоте или в спектре частот излучения, на поверхность кристалла наносят один или соответственно несколько слоев просветляющего покрытия. В качестве просветляющих покрытий используют кварцевую пленку, монооксид кремния SiO (коэффициент преломления nп=1,9), сульфид цинка ZnS (nп=2,2), фтористый магний MgF2 (nп=1,35) и др.

2.2. Механизмы поглощения энергии излучения в полупроводниках

В полупроводниках различают несколько механизмов поглощения энергии излучения - собственное (основное, межзонное, фундаментальное), примесное, экситонное, решеточное, поглощение свободными носителями и дрПри собственном поглощении энергия затрачивается на разрыв валентной связи в атоме и перевод электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости. Этот процесс генерации свободных носителей обратен межзонной рекомбинации. Для перевода электрона в зону проводимости необходимо, чтобы энергия фотона превышала ширину запрещенной зоны, т.е. Еф=hн>=ДЕз. На частотах излучения н<нгр, где нгр=ДЕз/h, коэффициент поглощения резко уменьшается. Поэтому спектр собственного поглощения имеет четко выраженную границу, называемую красной границей фотоэффекта и определяемую соотношением лгр=сh/ДЕз (рисунок 1). Красная граница соответствует минимальной энергии фотона, необходимой для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (энергии ионизации собственного атома полупроводника).

С уменьшением длины волны излучения в области лгр вначале могут наблюдаться непрямые переходы, при которых требуется меньшая энергия фотона для ионизации атома (участок 2 на рисунке 1), а затем с ростом энергии фотона будут только прямые переходы, так как вероятность непрямых переходов уже мала. Граница собственного поглощения лгр=с/нгр большинства полупроводников приходится на видимую или инфракрасную часть оптического диапазона. На величину лгр кроме типа полупроводника влияют температура, внешние поля и др. С увеличением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников уменьшается и лгр сдвигается в сторону больших длин волн. С повышением концентрации примесей в полупроводниках энергетические уровни вблизи потолка валентной зоны или дна зоны проводимости заполняются. Поэтому при собственном поглощении, когда энергия фотона должна превышать ширину запрещенной зоны, лгр соответственно сдвигается в сторону меньших длин волн. При примесном поглощении энергия фотона затрачивается на ионизацию атомов примеси. В полупроводниках донорные примеси расположены вблизи дна зоны проводимости, акцепторные - около потолка валентной зоны. В обоих случаях энергия ионизации примесей дЕпр<<ДЕз, а коэффициент примесного поглощения на несколько порядков меньше, чем собственного. Спектр примесного поглощения смещен относительно спектра собственного в инфракрасную область. Электроны в атомах примесей могут находиться в основном и возбужденном состояниях, и тогда энергия ионизации атомов примесей различна. Поэтому спектр примесного поглощения состоит из нескольких областей (участки 3 и 4 на рисунке 1). Увеличение температуры способствует термической ионизации атомов примесей. Коэффициент примесного поглощения при этом уменьшается, так как энергия фотонов не поглощается из-за отсутствия неионизированных атомов примеси. Поэтому приемники инфракрасного диапазона, использующие в работе примесное поглощение, как правило охлаждают до низких температур (77, 110 К).

При экситоном поглощении энергия фотона Еф<ДЕз. Электрон в валентной зоне полупроводника, поглотив энергию фотона, не отрывается от атома, а только переходит в возбужденное состояние, образуя с дыркой связанную кулоновскими силами пару - экситон. Экситон электрически нейтрален, а его энергетическое состояние соответствует уровню энергии в запрещенной зоне полупроводника. Полупроводники, кристаллическая решетка которых содержит атомы различного типа, можно рассматривать как систему электрических диполей. Диполи наиболее интенсивно поглощают энергию излучения на собственных частотах колебаний. Колебания диполей сложны, и поэтому спектр решеточного поглощения состоит из нескольких областей. На рисунке 2.1 решеточному поглощению соответствует область 5 далекой инфракрасной части оптического диапазона. Поглощение сопровождается генерацией большого числа фононов. Увеличивается тепловая энергия полупроводника, изменяются подвижность и энергия свободных носителей, повышается их концентрация.

2.3. Эффект Дембера

Помимо фотопроводимости освещение полупроводникового кристалла может вызывать появление электродвижущей силы . Для этого в кристалле в отсутствие источника внешнего электрического напряжения должно по тем или иным причинам появиться внутреннее электрическое поле, способное направить фотоэлектроны и фотодырки в разные стороны. Тогда противоположные стороны образца зарядятся разноименно и возникнет фото-э.д.с. Если полупроводник осветить сильно поглощаемым светом, то вблизи поверхности, где происходит поглощение света, возникнут электронно-дырочные пары . Эти носители заряда диффундируют из освещенной области в глубь полупроводника (Рисунок 2.2). Поскольку электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то они продвинутся дальше в глубь кристалла, чем дырки. Эта разница в диффузии носителей заряда приведет к тому, что поверхность полупроводника окажется положительно заряженной по отношению к его объему. Возникшее электрическое поле направлено так, что оно ускоряет дырки, имеющие меньшую подвижность, и замедляет подвижные электроны, поэтому суммарный ток равен нулю. Объемную эдс, возникающую при неравномерном освещении полупроводника, называют эдс Дембера. Открыт немецким физиком Х. Дембером (H. Dember) в 1931году.

Рисунок 2.2 - Возникновение эдс Дембера

ЭДС Дембера тем больше, чем сильнее различаются подвижности электронов и дырок. Электродвижущая сила Дембера обычно очень мала, она немного больше kT/e. При µ_n = µ_РV_D = 0.

2.4. Фотоэлектромагнитный эффект

В 1934 г. И.К. Кикоин и М.М. Носков открыли новый тип фотоэдс . В полупроводнике, находящемся в магнитном поле, при освещении сильно поглощаемым светом, возникает электрическое поле (Рисунок 2.3). Это явление называется эффектом Кикоина-Носкова, или фотомагнитоэлектрическим эффектом (ФЭМ эффектом).

Рисунок 2.3 - Образец для измерения фотоэлектромагнитного эффекта

На диффундирующие электроны и дырки, созданные светом, в магнитном поле действует сила Лоренца, отклоняющая их в направлении, перпендикулярном к направлению их движения и направлению магнитного поля . При этом потоки электронов и дырок отклоняются в разные стороны. Вследствие этого у противоположных сторон образца, как это представлено на Рисунке 2.4, скапливаются заряды противоположного знака и возникает электрическое поле, а следовательно, возникает напряжение V_y ФЭМ эффекта. Накопление зарядов и возрастание э. д. с. будут продолжаться до тех пор, пока ток проводимости, обусловленный возникшим электрическим полем, не скомпенсирует магнитно-диффузионный ток.Явление Кикоина-Носкова аналогично двум явлениям: эффекту Холла, поскольку в полупроводнике имеется дрейфовый ток, и термомагнитному эффекту Нернста-Эттингсгаузена, поскольку в полупроводнике при неоднородном освещении возникает диффузионный ток .

Рисунок2.4 - Возникновение напряжения V_y при фотоэлектромагнитном эффекте.

Определение V_y и тока короткого замыкания проведем для полупроводника, у которого скорость поверхностной рекомбинации мала, а поглощение света происходит в приповерхностном слое образца с образованием электронно-дырочных пар .

V_вен=. (48)

При большом уровне освещения, когда имеем:

V_вен=. (49)

При малом уровне возбуждения, когда используя разложение в ряд, получаем:

V_вен=

т. е. вентильная фото- эдс при малом уровне возбуждения пропорциональна интенсивности света.

2.5 Фотоэффект на барьере Шоттки

На контакте металла с полупроводником имеет место перераспределение зарядов, приводящее к возникновению в полупроводнике обедненного слоя, сопровождающегося искривлением зон полупроводника . Это искривление зон вблизи поверхности раздела называется барьером Шоттки. Если работа выхода из металла Ф_м больше работы выхода из полупроводника n-типа Ф_п (Рисунок 2.5, а), образуется барьер Шоттки для электронов (Рисунок 2.5, б).

Рисунок 2.5 - Образование барьера Шоттки в полупроводнике, находящемся в контакте с металлом.отоэффект заряд электрон

Если Ф_М<Ф_П, то образуется барьер Шоттки для дырок. Высота этого барьера равна:

eц_к=Ф_м - Ф_п.

Пусть на структуру, изображенную на Рисунке 10, б, падают фотоны с энергией hv > eц_к. В результате оптического возбуждения электроны в металле приобретают энергию, достаточную для преодоления барьера. Электроны, входя в полупроводник, заряжают его отрицательно, т. е. на барьере возникает фото-э. д. с. Электроны, возбужденные из валентной зоны полупроводника в металл, будут в металле занимать состояния выше уровня Ферми.

3. Применение полупроводников

Полупроводники обладают разнообразными и необычными свойствами, которые определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и n-типа образуются p-n переходы - основа почти всех полупроводниковых приборов. Фотодиодом называется полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными р-п-пере-ходом. При действии света на полупроводниковый фотоэлемент в цепи возникает ток. Пока же полупроводниковые фотоэлементы применяются в основном для измерения интенсивности света, а также для целей автоматики, сигнализации . Фотогальваническими элементами называют полупроводниковые фотоэлементы с одним или несколькими электронно-дырочными переходами. Большой интерес представляют полупроводниковые фотоэлементы как датчики электромагнитного излучения в разных частях спектра. Такие фотодиоды называют полупроводниковыми фотоэлементами. Если на фотодиод падает свет, то вследствие внутреннего фотоэффекта в обеих областях фотодиода генерируются пары носителей заряда.Ко второму классу относятся полупроводниковые фотоэлементы, принцип действия которых основан на использовании фотоэффекта запирающего слоя. Эти фотоэлементы иначе называются вентильными или фотоэлементами с запирающим слоем. Вентильные фотоэлементы качественно отличаются от фотоэлементов с внешним фотоэффектом, которые при освещении не вырабатывают собственной электродвижущей силы и являются лишь очень хорошими индикаторами излучения. Для получения от фотоэлемента с внешним фотоэффектом сколько-нибудь заметных фототоков недостаточно его лишь осветить, необходимо также между фотокатодом и анодом создать электрическое поле, которое обеспечивало бы попадание всех эмитируемых электронов на анод. Это достигается включением в фотоэлектрическую цепь источника постоянного напряжения - сухой батареи или аккумулятора. Таким образом,фотоэлементы с внешним фотоэффектом, а также, конечно, и фотосопротивления работают в режимах с обязательным включением в электрическую цепь фотоэлемента источника напряжения, без этого они не могут работать. В обоих приборах излучение освобождает электроны, но последующая их утилизация может быть осуществлена лишь при содействии источников постоянного напряжения. При соединении противоположных слоев полупроводникового фотоэлемента проводником в цепи возникает электрический ток; сила тока в цепи пропорциональна мощности светового потока излучения, падающего на фотоэлемент. Наличие перечисленных выше типов полупроводниковых фотоэлементов позволяет на их базе создать и внедрить ряд фотоэлектрических устройств автоматики, где фотодатчики играют основную роль или являются вспомогательными элементами.Фотоэлектрические полупроводниковые приемники излучения ( полупроводниковые фотоэлементы и фотодиоды) - полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом ( р-п переходом), действие которых основано на фотогальваническом эффекте. Поглощение оптического излучения в таких приборах приводит к увеличению числа свободных носителей внутри полупроводника. Под действием электрического поля перехода ( запирающего слоя) носители заряда пространственно разделяются ( электроны накапливаются в - области, дырки в р-области) и между слоями возникает фото - ЭДС. При замыкании внешней цепи через нагрузку протекает электрический ток.

Ко второй группе принадлежат фоторезисторы, полупроводниковые фотоэлементы, солнечные батареи, фотодиоды, фототранзисторы и др.

Основные элементы схемы - датчик ( полупроводниковый фотоэлемент), усилитель постоянного тока, выполненный по мостовой схеме на транзисторах П13, и измерительный прибор, включенный в диагональ моста, снабженный универсальным шунтом с целью расширения пределов измерений.. В видимой и ближней ИК-областях применяются разнообразные полупроводниковые фотоэлементы - вентильные фотоэлементы, фотодиоды и фототранзисторы. Для ближней ИК-обла-сти обычно выбирают фотодиод из PbS, который включают в набор фотоэлементов спектрофотометров, предназначенных для работы в УФ - и видимой областях, для расширения диапазона измерений на этих приборах. Детально полупроводниковые устройства обсуждаются в гл. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями ( фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют красную границу фотоэффекта не выше 1 1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра ( 3 - г - 4мкм), а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малы и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений - их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропере-менных световых потоков.Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фоторезисторами, обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют красную границу фотоэффекта не выше 1 1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерения в далекой инфракрасной области спектра ( Зч - 4мкм), а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлений - их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропере-менных световых потоков. Для того чтобы лучше понять принцип действия полупроводниковых фотоэлементов, вернемся к описанию механизмов дырочной и электронной проводимостей. Полупроводниковый материал, электрическая проводимость которого меняется при изменении освещенности, называют фстосопротивлением. Изменение электропроводности сопротивления связано с изменением концентрации носителей под воздействием освещения. Ранее всех из фотосопротивлений были изучены селеновые, которые однако не следует путать с современными фотосопротивлениями с внутренним фотоэффектом, содержащими селен. В настоящее время фотосопротивления изготавливаются в основном из таких материалов, как сульфиды и селениды кадмия и свинца.

3.1 Лазеры с квантовыми ямами и точками

Самым распространенным типом полупроводникового лазера является лазер на двойной гетероструктуре, где активная область представляет собой тонкий слой узкозонного полупроводника между двумя широкозонными. При достаточно малой толщине активной области она начинает вести себя как квантовая яма и квантование энергетического спектра в ней существенно меняет свойства лазеров. Основное влияние на свойства лазеров оказывает изменение плотности состояний, происходящее под влиянием размерного квантования. Если в массивном полупроводнике в непосредственной близости от края зоны эта величина мала, то в квантово-размерной системе она не убывает вблизи края, оставаясь равной 4πm/πh². Создание лазеров с квантово-размерной активной областью позволило получить непрерывную генерацию при комнатной температуре и в дальнейшем снизить пороговый ток инжекционного лазера до величин ~ 50 А/см².Благодаря иной энергетической зависимости плотности состояний меняется не только величина порогового тока, но и его температурная зависимость. Она становится более слабой, в силу чего непрерывную генерацию удается получить не только при комнатной температуре, но и при температурах на много десятков градусов выше.

Другой важной особенностью лазеров на квантовых ямах является возможность их частотной перестройки. Минимальная энергия излучаемых световых квантов равна hn = E_g+ E₁^e + E₁^h. Она меняется при изменении a (ширина квантовой ямы, и т.п.), т. е. путем изменения ширины квантовой ямы можно осуществлять перестройку частоты генерации, сдвигая ее в коротковолновую сторону по сравнению с лазерами с широкой (классической) активной областью. В квантовых точках энергетический спектр меняется еще более радикально, чем в квантовых ямах. Плотность состояний имеет δ-образный вид, и в результате отсутствуют состояния, которые не принимают участия в усилении оптического излучения, но содержат электроны. Это уменьшает потери энергии и как следствие уменьшает пороговый ток. Лазеры могут содержать одну или (для увеличения оптического усиления) несколько плоскостей, заполненных квантовыми точками. Согласно теоретическим оценкам, диодные лазеры с активной средой из квантовых точек должны обладать значительно лучшими свойствами по сравнению с лазерами на квантовых ямах, а именно: существенно большим коэффициентом усиления, меньшей пороговой плотностью тока, полной невосприимчивостью к

температуре решетки, лучшими динамическими характеристиками и большими возможностями для контроля за энергией кванта излучения.

3.2 Фотоприемники на квантовых ямах

Процессы оптической ионизации квантовых ям могут использоваться для создания новых типов приемников инфракрасного излучения. Принцип приемника весьма прост: выброс носителей в зону проводимости широкозонного полупроводника(потенциального барьера) увеличивает проводимость в направлении, перпендикулярном слоям гетероструктуры. По своему действию такой приемник напоминает примесный фоторезистор, где в роли центров выступают квантовые ямы. Поэтому в качестве времени жизни неравновесных носителей выступает характерное время захвата в квантовую яму τ_q По сравнению с обычным временем жизни, связанным с захватом на рекомбинационные центры, τ_q обладает двумя важными отличиями. Во-первых, τ_q значительно (на несколько порядков) меньше времени захвата на центры. Причина в том, что акт захвата связан с необходимостью передачи решетке от носителя достаточно большой энергии, равной энергии связи центра или же величине ΔE при захвате в квантовую яму. Наиболее эффективный механизм передачи энергии - это испускание оптических фотонов с энергией hw₀/2p. Однако энергия связи центров отнюдь не совпадает сhw₀/2p, и потому такой процесс невозможен. Электрон должен отдавать энергию в ходе значительно более медленного каскадного процесса испускания многих акустических фононов. В случае квантовой ямы наличие непрерывного спектра движения в плоскости ямы существенно меняет ситуацию. Становится возможным переход на связанное состояние в яме при испускании оптического фонона с одновременной передачей оставшейся избыточной энергии в движение в

плоскости ямы (рис.3. 1). Если исходный электрон имел энергию, близкую к краю зоны в широкозонном материале, то из рис.3. 1 видно, что испускаемый фонон должен иметь достаточно большой импульс:

q = [2m (DE - E₁ - hw₀/2p)]^1/2

в плоскости квантовой ямы. Значительно большая величина взаимодействия

электронов с оптическими фононами, нежели с акустическими, определяет малость τ_? по сравнению со временем захвата из центра. Во-вторых, τ_q немонотонным, осциллирующим образом зависит от параметров ямы. Это связано со свойствами волновой функции электронов в делокализованных состояниях над квантовой ямой ψ_£. Если яма не является резонансной, то амплитуда этой волновой функции внепосредственной окрестности ямы при малой энергии электрона весьма мала.Собственно, τ_q будет относительно велико. Для резонансных квантовых ям вероятность захвата возрастает, т. е. τ_q падает. Фотопроводимость рассматриваемой структуры, так же как и обычного фоторезистора,определяется произведением трех факторов: скорости оптической генерации,которая в свою очередь пропорциональна коэффициенту поглощения a, времени жизнив делокализованном состоянии τ_q и эффективной подвижности в нем m_эф, которая, очевидно, должна быть пропорциональна квантово-механическому коэффициенту прохождения электрона над квантовой ямой. Первый и третий факторы максимальны для резонансных квантовых ям, а τ_q, напротив, минимально для них. Однако совокупное действие всех факторов оказывается таковым, что фотоприемники на квантовых ямах будут иметь лучшие параметры в случае резонансных ям.

Рис.3. 1. Процесс захвата неравновесного электрона в квантовую яму с

испусканием оптического фонона.

Для самой распространенной гетеросистемы GaAs-Al_xGa_1-x с x= 0. 2-0. 25 условие резонанса выполняется для ям с толщиной, кратной 40-45 А.Если а = 40-45 А, то диапазон фоточувствительности структуры лежит в области длин волн порядка 8 мкм, соответствующей одному из окон атмосферной прозрачности и потому очень важной для практических применений. Приемники на основе квантовых ям могут составить конкуренцию фоточувствительным структурам на основе твердых растворов CdHgTe - важнейшему типу приемников для данного спектрального диапазона. Основным достоинством структур на квантовых ямах является большая стабильность и меньший разброс параметров, что особенно важно для матричных фоточувствительных структур. Путем сравнительно небольших изменений состава широкозонных слоев и толщины ямы можно менять положение максимума и ширину полосы фоточувствительности.

Последнее обстоятельство связано с тем, что по мере нарушения точного условия резонанса спектр фотоионизации квантовой ямы становится более плавным и имеет менее резкий максимум.

Рис.3.2. Способы ввода излучения в фотоприемник с квантовыми ямами.

а - через скошенный торец подложки, б - с помощью дифракционной

решетки 1 - подложка, 2 - фоточувствительная структура с квантовыми

ямами, 3 -дифракционная решетка.

В связи с тем что оптическая ионизация квантовых ям может вызываться лишь светом, поляризованным по нормали к квантовым слоям, описанные фотоприемники должны содержать специальные приспособления, поляризующие падающий свет требуемым образом. Есть два основных способа сделать это. Свет может направляться в фоточувствительную структуру под углом через скошенный торец подложки (рис.3. 2 a). В другом варианте свет проходит через подложку по нормали, а должную поляризацию приобретает после дифракции на решетке,специально нанесенной на верхнюю поверхность структуры (рис.3.2 б).Возможно альтернативное решение проблемы поляризации, позволяющее избежать

описанных выше конструкционных усложнений. Речь идет о выращивании квантовых структур из полупроводников с анизотропным энергетическим спектром. При наличии анизотропии электрическое поле нормально падающей световой волны, лежащее в плоскости слоев, придает электронам импульс под некоторым углом к этой плоскости. С позиций квантовой механики это означает возможность переходов между различными квантово-размерными уровнями или между уровнем и континуумом

состояний над квантовой ямой, что и требуется для работы приемника. На практике для реализации этой идеи чаще всего используют гетероструктуры на основе той же, наиболее освоенной технологически, системы GaAs-Al_xGa_1-xAs, но имеющие не n-, а p-тип легирования.

^{ЗАКЛЮЧЕНИЕ}

^{Полупроводники - это сравнительно новые материалы, с помощью которых на протяжении последних десятилетий удаётся разрешать ряд чрезвычайно важных электротехнических задач. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах. Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.} В настоящее время насчитывается свыше двадцати различных областей, в которых с помощью полупроводников разрешаются важнейшие вопросы эксплуатации машин и механизмов, контроля производственных процессов, получения электрической энергии, усиления высокочастотных колебаний и генерирования радиоволн, создания с помощью электрического тока тепла или холода, и для осуществления многих других процессов. В данной курсовой работе были рассмотрены полупроводниковые материалы кремний и германий. Описаны основные сведения о кристаллическом строении, процессах получения, физико-химических и электрофизических свойствах, применении в полупроводниковых приборах. Следует сказать, что техника получения монокристаллов германия высокой чистоты разработана в настоящее время достаточно надежно и обеспечивает выпуск монокристаллического германия в промышленном масштабе. Требования к свойствам материалов по мере развития техники непрерывно растут, причём подчас необходимо получить труднореализуемые либо даже несовместимые сочетания свойств Нобелевский лауреат Ж. Алферов отметил, что в XX веке состоялось три основных открытия: искусственное деление урана, транзисторы, лазеры. Среди наиболее значимым для человечества является появление транзистора на полупроводниках и последовавшее за этим создание и развитие микро- и оптоэлектроники - основы современной техники связи и информатики. Физика полупроводников развивалась на протяжении XIX-XX веков полупроводниковые диоды пришли на смену вакуумным лампам, были изобретены на основе полупроводников фотодиоды, фотоэлементы, интегральные микросхемы, а следовательно это привело к развитию ЭВМ и ПК. На протяжении двух столетий такие учение как Дэви, Беккерей, Пирс, Столетов, Иоффе, Бардин, Браттейн, Шокли, Алферов внесли огромный вклад в развитие физике полупроводников. На данный момент решаются проблемы физики полупроводников гетроструктуры в полупроводниках, квантовые ямы и точки, заряды, спиновые волны, мезоскопия.

Литература

1. Бараночников М.. Фототранзисторы. Журнал «Радио» № 6,7,8 - 1992 г

2. Козлов В.А., Рожков А.В., Кардо-Сысоев А.Ф. Журнал «Физика и техника полупроводников», том 37, вып. 12 С-Пб: ФТИ, 2003г. -140с

3. Виноградов Ю.В. «Основы электронной и полупроводниковой техники». Изд. 2-е, доп. М., «Энергия», 1972 г. - 536 с.

4. Вавилов В.С.Журнал «Успехи физических наук»,том 165,№5 Москва,1995г.с.592- 594

5. Садуллаев А. Б. Инфракрасный фотоприёмник, работающий при наличии фонового освещения // Молодой ученый. - 2011. - №2. Т.1. - С. 47-49

6. И. В. Боднарь, В. Ю. Рудь, Ю. В. Рудь, Е. И. Теруков, А. М. Ковальчук Фоточувствительные структуры на монокристаллах СuIn5Te8: создание и свойства. - Физика и техника полупроводников. - 2011 год. - Т. 45. - вып. 5.

7. Тугов Н. М., Глебов Б. А. Полупроводниковые приборы-

М.:Энергоатомиздат , 1990 г.- 576 с.

8. П.Б. Сорокин, Л.А. Чернозатовский. Журнал «Успехи физических

наук», том 183, №2, Москва,2013г. стр. 114 - 129

9. myrt.ru/history/print:page, 1,981 - poluprovodniki.html

10. ru.wikipedia.org/wiki/