Примесное поглощение

Полупроводник, имеющий примеси, называется примесным, а проводимость, созданная введенной примесью, носит название примесной проводимости.

Рассмотрим кривую для концентрации N"n. Для низких температур на кривой ./Уд хорошо выделяется участок 7 примесной проводимости. После того как примеси исчерпаны (участок II), проводимость может несколько уменьшаться за счёт падения ц.. Участок 77/ соответствует собственной проводимости. В том случае, когда концентрация примесей достаточно высока (./V = N'%'), участок 77 отсутствует. Такой вид зависимости In о = (ЦТ) характерен для высоколегированных полупроводников — полуметад-

Во втором случае наиболее вероятен переход электронов из валентной зоны на примесные уровни, в результате чего происходит освобождение энергетических уровней в валентной зоне (образование дырок) и возникновение примесной проводимости дырочного типа.

Прямой ток р-n перехода при нагреве возрастает не так сильно, как обратный ток. Это объясняется тем, что прямой ток возникает в основном за счет примесной проводимости. Но концентрация примесей от температуры практически не зависит. Температурная зависимость прямой ветви вольтампернои характеристики в соответствии с формулой (3/-) определяется изменениями тока /0 и показателя экспоненты.

Рассмотрим кривую для концентрации N"n. Для низких температур на кривой ./Уд хорошо выделяется участок 7 примесной проводимости. После того как примеси исчерпаны (участок II), проводимость может несколько уменьшаться за счёт падения ц.. Участок 77/ соответствует собственной проводимости. В том случае, когда концентрация примесей достаточно высока (./V = N'%'), участок 77 отсутствует. Такой вид зависимости In о = (ЦТ) характерен для высоколегированных полупроводников — полуметад-

*) В качестве терморезисторов применяются часто также и специальные полупроводниковые элементы без р — «-перехода, использующие сильную температурную зависимость примесной проводимости,

а —• температурная зависимость; 1 — область примесной проводимости; 2 — область истощения примесей; 3 — область преобладания собственной проводимости; в полупроводнике I — концентрация примесей меньше, чем D полупроводнике //, 6 — зависимость от напряженности поля; 1 — область слабых полей; 2 — область заметного возбуждения глектронов; 3 — область

растет за счет увеличения концентрации примесных носителей. Таким образом, при низких температурах преобладает примесная проводимость. При высоких температурах роль примесной проводимости мала, главное значение приобретает собственная проводимость. Для невыро-

линейных участка, с наклоном под разными углами ( 13.2, а). Участок 1 справа отвечает примесной проводимости, левый участок 3 отвечает собственной проводимости вещества. В интервале 2 между ними проводимость почти не изменяется, это участок истощения примесей. При увеличении 'концентрации примесей примесная проводимость увеличивается, наклон кривой (пунктир) на участке 1 уменьшается, становится уже участок истощения, а переход к собственной проводимости происходит при более высокой температуре.

Вместе с тем органические полупроводники во многом отличаются от неорганических; подвижность носителей у них на несколько порядков ниже, чем, например, у германия. Проводимость в функции температуры характеризуется одночленной зависимостью; хорошо выраженной примесной проводимости при низких температурах, как в случае неорганических примесных полупроводников, здесь зачастую не обнаруживается.

В соответствии- с (6.28) при Na « 6 • 1024 м"3, т. е. при концентрации примеси «0,01 атомных процента, Еа — 0 и концентрация дырок в кремнии в области примесной проводимости перестает зависеть от температуры. Такие полупроводники называются вырожденными.

Существуют различные виды поглощения света. При поглощении полупроводником квантов света—фотонов—их энергия может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости, т. е. энергия квантов света идет на ионизацию атомов полупроводника. Этот процесс называют собственным поглощением. Существует поглощение энергии квантов света свободными электронами зоны проводимости или дырками валентной зоны, т. е. поглощение носителями заряда. При этом энергия квантов света расходуется также на перевод носителей на более высокие для них энергетические уровни, но в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное поглощение, при котором энергия фотонов идет на ионизацию или возбуждение примесных атомов. Кроме того, в полупроводниках могут происходить поглощение фотонов кристаллической решеткой и некоторые другие виды поглощения. Процессы поглощения фотонов не следует смешивать с процессами рассеяния, которые также приводят к уменьшению плотности потока фотонов.

При еще меньших энергиях квантов света может происходить примесное поглощение, если не все примеси ионизированы при данной температуре. Примесному поглоще- 1.19. Спектр поглощения

Фоторезистивный эффект — это изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием оптического излучения и не связанное с его нагреванием. Для возникновения фоторезистивного эффекта необходимо, чтобы в полупроводнике происходило либо собственное поглощение оптического излучения или фотонов с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение с образованием носителей одного знака при возбуждении однотипных дефектов. В результате увеличения концентрации носителей заряда уменьшается сопротивление полупроводника.

Примесное поглощение. Этот вид поглощения света связан с ионизацией или возбуждением примесных атомов. Поглощение фотонов вызывает переходы электронов донорных атомов в зону проводимости или же переход валентных электронов полупроводника на акцепторные уровни. Могут наблюдаться также переходы электронов примесных центров на энергетические уровни возбуждения этих атомов. Энергия ионизации примесных атомов веществ, которыми обычно легируются полупроводники, в десятки и сотни раз меньше ширины запрещенной зоны и лежит обычно в пределах сотых долей электронвольта. Поэтому спектр примесного поглощения располагается обычно за длинноволновой границей собственного поглощения. Спектры примесного поглощения охватывают широкие полосы частот, так как электроны донорных атомов при поглощении света могут переходить на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, лежащие достаточно далеко от ее дна, а ионизация акцепторных атомов может происходить за счет перехода электронов с более глубоких энергетических уровней валентной зоны.

в пределах соответствующей разрешенной зоны. Возможно примесное поглощение фотонов, при котором их энергия идет на возбуждение примесных уровней. Кроме того, в полупроводниках может происходить поглощение фотонов кристаллической решеткой, поглощение с переходом электронов с акцепторного на донорный энергетический уровень и некоторые другие виды поглощения.

Возможно примесное поглощение, при котором энергия

ном и возбужденном состояниях, и тогда энергия ионизации атомов примесей различна. Поэтому спектр примесного поглощения состоит из нескольких областей (участки 3 и 4). 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, НО К).

Примесное поглощение. Этот вид поглощения света связан с ионизацией или возбуждением примесных атомов. Поглощение фотонов вызывает переходы электронов донорных атомов в зону проводимости или же переход валентных электронов полупроводника на акцепторные уровни. Могут наблюдаться также переходы электронов примесных центров на энергетические уровни возбуждения этих атомов. Энергия ионизации примесных атомов веществ, которыми обычно легируются полупроводники, в десятки и сотни раз меньше ширины запрещенной зоны и лежит обычно в пределах сотых долей электронвольта. Поэтому спектр примесного поглощения располагается обычно за длинноволновой границей собственного поглощения. Спектры примесного поглощения охватывают широкие полосы частот, так как электроны донорных атомов при поглощении света могут переходить на свободные энергетические уровни в зоне проводимости, лежащие достаточно далеко от ее дна, а ионизация акцепторных атомов может происходить за счет перехода электронов с более глубоких энергетических уровней валентной зоны.

Примесное поглощение. В примесных полупроводниках под дей-•ствием света может происходить переброс электронов с примесных уровней в зону проводимости и из валентной зоны на примесные уровни, расположенные в запрещенной зоне ( 12.6). Такое поглощение света называют примесньш. Граница этого поглощения сдвинута в область длинных волн тем сильнее, чем меньше энергия соответствующего перехода.

Следует, однако, иметь в виду, что если примесные атомы уже 'Ионизированы, то примесное поглощение наблюдаться не будет. Так как температура истощения примеси падает с уменьшением энергии ее ионизации, то для наблюдения длинноволнового примесного поглощения необходимо охлаждение полупроводника до достаточно низкой температуры. Так, например, спектр примесного поглощения германия, легированного золотом (энергия ионизации примеси Еп = 0,08 эВ, граница поглощения А,„ » 9 мкм), наблюдается при температуре жидкого азота (77 К), в то время как при легировании германия сурьмой (Еп = 0,01 эВ, Хп = 135 мкм) примесное поглощение можно наблюдать лишь при гелиевых температурах (4 К).

Коэффициент примесного поглощения ап при К < Кп зависит от К и прямо пропорционален концентрации примеси Л/п. Поэтому примесное поглощение удобно характеризовать сечением поглощения сгп: