Изучение внутреннего фотоэлектрического эффекта в запирающем слое

РАБОТА №45

ИЗУЧЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ЗАПИРАЮЩЕМ СЛОЕ

Цель работы. Изучение физических явлений, лежащих в основе работы полупроводникового фотоэлемента с запирающим слоем, определение зависимости фототока от освещен­ности, снятие кривой спектральной чувствительности фотоэлемента и оценка ширины запрещенной зоны полупровод­ника.

Введение

Основу большинства фотоприемников, используемых в современных оптоэлектронных приборах, составляют диодные структуры. Их основное достоинство - простота устройства, что позволяет достигнуть оптимального сочетания физических и конструктивных параметров прибора и удобства в освоении новых материалов. Поскольку при решении последней задачи, если не всегда удается получить не только транзистор с удовлетворительными характеристиками, но и просто р—п переход, то предпочтение отдается барьеру, возникающему при контакте металла с полупроводником (барьеру типа Шоттки). Изготовление барьеров Шоттки основано на прие­мах стандартной технологии, причем особенно важно, что большинство способов изготовления контактов металл — по­лупроводник являются низкотемпературными.

Устройство селенового фотоэлемента, изучаемого в настоя­щей работе, представлено на рис. 1. Стальная подложка 1 покрыта слоем 2—3 селена, на который нанесен тонкий полу­прозрачный слой золота 4. Область 3 селена обеднена основ­ными носителями и является запирающим слоем. Стальная подложка и слой золота являются электродами фотоэлемента. Селеновый слой и электроды наносятся путем испарения. Толщина слоя селена 0,1 мм, толщина полупрозрачного золо­того электрода 0,01 мкм. Поверх золотой пленки наносят антиотражающее покрытие из сернистого цинка 5. Это по­крытие вызывает интерференционное гашение лучей, отра­женных от его поверхности и границы с золотом. Селеновые фотоэлементы с запирающим слоем представляют собой при­боры с большим выходным напряжением (до 500 мВ), удов­летворительным КПД (до 1%) и областью максимальной чувствительности в середине видимой части спектра, что делает их наиболее пригодными для цветной и других видов фотометрии. Известно их широкое применение в современных фотоэкспонометрах, что связано с близостью их спектральной характеристики к кривой чувствительности глаза человека.

Барьер типа Шоттки. Этот потенциальный барьер образуется при контакте металла с полупроводником, в частности, золота с се­леном. Допустим, что между металлом и дырочным полупро­водником создан надежный контакт (рис. 2). На рисунке: Е — энергия “дна” свободной зоны, Е —энергия “потолка” валентной зоны; F, F—уровни Ферми металла и полупроводника, А, А - работы выхода электрона из металла и полупроводника.

Если уровень Ферми изолированного ме­талла F лежит выше уровня Ферми полупроводника F, -т. е. <, то в первый момент их соприкосновения поток электронов из металла превышает поток электронов из полу­проводника. Металл заряжается положительно, а полупровод­ник отрицательно, и возникшее между контактирующими образцами электрическое поле будет препятствовать переходу электронов из металла в полупроводник. Процесс идет до тех пор, пока уровни Ферми с обеих сторон не совпадут, и не установится динамическое равновесие. Контактная разность потенциалов (), возникающая между металлом и полупроводником, определяется из разности работ выхода

      (1)

и практически полностью падает в приконтактной области полупроводника. Напряженность электрического поля в приповерхностном слое полупроводника, вызванного контактной разностью потенциалов, искривит его зоны энергии относи­тельно уровня Ферми книзу. Поэтому вблизи контакта число электронов в свободной зоне увеличивается, а число дырок в валентной зоне убывает. Это означает, что в дырочном полупроводнике возникнет запирающий слой (слой с обеднен­ной концентрацией дырок).

Принцип действия фотоэлемента с запирающим слоем

В настоящей установке используется вентильный режим работы фотоэлемента, т. е. без внешнего источника напряже­ния. Образованные под действием света в области запорного слоя полупроводника электронно-дырочные пары (явление внутреннего фотоэффекта) разделяются электрическим полем этого слоя таким образом, что электроны переходят в металл, а дырки остаются в полупроводнике (рис. 2). Поэтому полу­проводник заряжается положительно относительно металла, что эквивалентно образованию дополнительного напряжения, включенного в прямом направлении. Это напряжение назы­вается фотоэдс. В работе измеряется фототок в цепи, нагру­зочным сопротивлением которой служит сопротивление галь­ванометра. Поскольку оно мало, то этот ток можно считать током короткого замыкания фотоэлемента.

При внутреннем фотоэффекте в полупроводниках происхо­дит поглощение фотона с энергией, достаточной для перехо­да электрона из валентной зоны в свободную зону, что при­водит к образованию пары электрон-дырка. Число электронно-дырочных пар, генерируемых в единичном объеме по­лупроводника за одну секунду фотонами с энергией  по определению есть скорость генерации G. Получим выражение для скорости генерации.

Известно, что интенсивность монохроматического света I на глубине х связана с интенсивностью на поверхности по­лупроводника I соотношением

,         (2)

где  —линейный показатель поглощения света, не зависящий от интенсивности света (при невысоких интенсивностях). Количество световой энергии, поглощаемой за 1 с в слое единичной пло­щади толщиной dx определится как

.        (3)

Энергия, поглощаемая в единичном объеме за 1 с тогда равна

.     (4)

Число поглощенных квантов в единичном объеме за 1 с опре­делится отношением 

Число  электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света, называется квантовым выходом. Тогда скорость генерации G на расстоянии х от поверхности полупроводника может быть выражена как

.       (5)

Здесь было предположено, что отражения от поверхности по­лупроводника нет.

Из этого выражения видно, что G существенно зависит от , а поскольку  зависит от энергии квантов падающего излучения, то скорость генерации различна для разных длин волн последнего.

При собственном поглощении света (рис. 3 1, 2) полупроводником показатель поглощения  велик, и мы можем при­нять, что вся световая энергия поглощается в области запи­рающего слоя x. Минимальная энергия фотонов, при кото­рой начинается собственное поглощение в полупроводниках, определяется минимальным энергетическим зазором между валентной и свободной зоной, т. е. шириной запрещенной зоны. Форма края кривой собственного поглощения зависит от вероятности переходов и плотности начальных и конечных электронных состояний. Длинноволновый край собственного поглощения неметаллических кристаллов из-за наличия экситонного поглощения и возможных непрямых переходов обыч­но “размыт”, поэтому для оценки ширины запрещенной зоны часто используют значение энергии кванта света, полученное путем экстраполяции спектральной характеристики коэффи­циента поглощения в область малых энергий фотона.