31. Фотоэффект на p-n-переходе
Рассмотрим
контакт p-полупроводника
и n-полупроводника
(p-n-переход).
В области контакта происходит изгиб
энергетических зон, приводящий к их
взаимному смещению. Это показано на
рис.1, где штриховой прямой изображен
уровень энергии Ферми (в состоянии
термодинамического равновесия положение
уровня Ферми в p-области
совпадает с его положением в n-области),
1 —
дно зоны проводимости, 2
— вершина
валентной зоны.
Рис.1
Основными носителями заряда в p-области являются дырки; их концентрация много больше концентрации электронов проводимости. В n-области наблюдается обратная картина; там основными носителями являются электроны проводимости. Диффузии электронов проводимости из области с высокой их концентрацией (n-области) в область с низкой концентрацией (в p-область) препятствует потенциальный барьер высотой еФ; Ф — контактная разность потенциалов. Аналогичное замечание можно сделать относительно диффузии дырок из p-области в n-область. Иными словами, контактная разность потенциалов в p-n-переходе препятствует уходу основных носителей из «своей» области. В то же время она способствует уходу в другую область неосновных носителей (но этому уходу препятствует более высокая концентрация соответствующих носителей в той области, куда они могли бы уйти).
Предположим теперь, что на p-полупроводник с наружной стороны падает поток фотонов (рис.1,б). Энергия фотонов превышает ширину запрещенной зоны. Фотоны генерируют электроны проводимости и дырки, которые, возникнув, начинают диффундировать через p-область по направлению к p-n-переходу. Электроны проводимости являются для p-области неосновными носителями, поэтому внутреннее поле в p-n-переходе «втягивает» их в n-область. Что же касается дырок, то они являются для p-области основными носителями, поэтому поле в p-n-переходе задержит их и возвратит обратно в p-область. В результате происходит пространственное разделение оптически генерированных электронов и дырок; p-полупроводник приобретает положительный, а n-полупроводник — отрицательный заряд, что эквивалентно возникновению ЭДС. При этом уровни Ферми в p-области и n-области смещаются друг относительно друга на е, где — фотоЭДС; контактная разность потенциалов уменьшается на (рис.).
Внутренний фотоэффект, проявляющийся в возникновении фотоЭДС, называют также фотогальваническим (или фотовольтаическим) эффектом. Одним из видов этого эффекта является возникновение вентильной (барьерной) фотоЭДС в p-n-переходе.
32. Гетеропереход.
Полупроводниковый гетеропереход(П. г.), контакт двух различных по химическому составу полупроводников. На границе раздела изменяется обычно ширина запрещенной зоны, подвижность носителей тока, их эффективные массы и др. характеристики полупроводников. В «резком» П. г. изменение свойств происходит на расстоянии, сравнимом или меньшем, чем ширина области объёмного заряда. В зависимости от легирования обеих сторон П. г. можно создать р—n-гетеропереходы (анизотипные), р—р- и n—n-гетеропереходы (изотипные). Комбинации различных П. г. и р—n-переходов образуют гетероструктуры.
Идеальная стыковка кристаллических решёток в П. г. возможна лишь при совпадении типа, ориентации и периода кристаллических решёток сращиваемых материалов. Кроме того, в идеальном П. г. граница раздела должна быть свободна от структурных и др. дефектов (дислокаций, заряженных центров и т.п.) и механических напряжений. Наиболее широко применяются монокристаллические П. г. между полупроводниковыми соединениями типа AIIIBV и их твёрдыми растворами на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов Ga и Al. Благодаря близости ковалентных радиусов Ga и Al изменение химического состава происходит без изменения периода решётки. Изготовление монокристаллических П. г. и гетероструктур стало возможным благодаря развитию методов эпитаксиального наращивания полупроводниковых кристаллов.
П. г. используются в различных полупроводниковых приборах: полупроводниковых лазерах, светоизлучающих диодах, фотоэлементах, оптронах и т.д.
Энергетическая диаграмма p-n гетероструктуры типа InGaN/AlGaN/GaN при прямом смещении U. Темными стрелками показана инжекция электронов и дырок в активную область p-n гетероструктуры. Попадая в узкие и достаточно глубокие ямы, электроны и дырки оказываются запертыми в них. Если активный слой (с узкой запрещенной зоной Eg1) содержит малое количество дефектов, электронно-дырочные пары рекомбинируют с излучением кванта Eg1 [светлая стрелка(-)→(+)].
Отказ от легирования активной области принципиально важен, поскольку атомы примеси, как уже говорилось, могут служить центрами безызлучательной рекомбинации. Попав в яму, инжектированные электроны наталкиваются на потенциальный барьер DEc, дырки - на барьер DEv, поэтому и те, и другие перестают диффундировать дальше и рекомбинируют в тонком активном слое с испусканием фотонов.