Оптические переходы в полупроводниках с глубокими уровнями

Национальный университет Узбе

Оптические переходы в полупроводниках с глубокими уровнями

Мамадалимов А.Т., Отажонов Ш.О., Хабибуллаев П.К.

Явления оптической и термической перезарядки играют важную роль в полупроводниках и полупроводниковых структурах, проявляясь в различных фотоэлектрических эффектах и в процессе работы приборов. Изучение этих явлений даёт новую информацию об электрических и фотоэлектрических свойствах полупроводников с глубокими уровнями (ГУ) и возможность управлять свойствами материалов.

Фотоэлектрические свойства полупроводников ГУ в сильной степени зависят от природы (донор, акцептор), зарядового состояния, степени заполнения ГУ-, количества и концентрации уровней-М, сечения фотоионизации -ж и захвата -S электронов и дырок на уровень и их отношения, времени жизни электронно-дырочных пар - и других параметров ГУ. Фотоэлектрические свойства полупроводников с ГУ можно определить путём исследования спектров фотопроводимости. Из-за двойных оптических переходов даже при наличии в запрещённой зоне только одного ГУ спектр фотопроводимости (ФП) может иметь сложный характер [1]. При введении полупроводник примеси могут образовываться несколько ГУ, например, цинк и родий в кремнии [2,3]. Поэтому качественно рассмотрим некоторые особенности оптических переходов при наличии нескольких глубоких и мелких уровней в запрещённой зоне, в основном, при комбинированном возбуждении. При рассмотрении предполагаем, что фотовозбуждение мало.

1. Рассмотрим полупроводник, в котором в запрещённой зоне кроме мелких донорных уровней с энергией ионизации Ed и концентрацией Nd , есть глубокие акцепторные уровни с Еt1 =Ес - Et1А и Еt2 =Ех +ЕA t2 (ЕA t2 < Et1А), концентрацией М1 и М2 , сечениями фотоионизацией жn1 , жp1 , жn2 ,жp2 , сечениями захвата S n1, S p1 , S n2 , S p2 и степенями заполнения ГУ с Et1 и Et2 - , соответственно.

Предположим, что уровни Еt1 и Еt2 независимы (принадлежат разным атомам примеси), S n1, S n2<< S p2<S p1, жp2 >жn2>жp1>жn1 и . Тогда при 1 <1, ФП начинается с hх=Еt1. В области Et1? Еg- Et1 (Еg -ширина запрещённой зоны полупроводника) ФП определяется зависимостью жn1= f(hх). При Еg - Еt1 ? hх < Еg- Еt2 ФП будет уменьшатся за счёт двойных оптических переходов - зона - уровень Еt1 -С-зона и рекомбинации через Nr. В области Еg- Еt2? hх<Еgпроисходит интенсивный переход электронов с уровня Еt2 в С-зону, в силу того, что жn2>жp1. Следует отметить, что последний реализуется в том случае, когда 2 практически не изменяется, то есть соблюдается условие малого возбуждения. Это проявляется в спектре ФП как характерный подъём при hх=Еg- Еt2. Если образец осветить светом с hх>Еg , тогда сначала при малых интенсивностях света I, происходит захват дырок на уровень Еt1 , поскольку S p1>S p2. Это приводит к увеличению фоточувствительности, которая определяется концентрацией фотоэлектронов. Освещение светом с Еg- Еt1? hх<Еg- Еt2 приводит к уменьшению ФП, то есть будет наблюдаться ИК гашение ФП. В таких образцах можно наблюдать коротковолновое (КВ) гашение ФП, если фоновая подсветка создаётся светом с Еt1 ? hх<Еg- Еt1 и . При дальнейшем увеличении интенсивности подсветки с hх >Еg происходит опустошение уровня Еt2 . В этом случае ФП начинается с Еt2 и в области Еt2 ? hх<Еg- Еt1 спектр ФП определяется зависимостью жp2= f(hх). Если жp2>>жn2, жp1, жn2 и , то такая зависимость выполняется до значений hх?Еg. При происходит ИК гашение начиная с hх=Еt2 . Отметим, что случай S n1 , S n2<< S p2 < S p1 в большинстве случаев реализуется когда примесный центр двукратно отрицательно заряжен - нижний уровень проявляется после опустошения верхнего уровня.

Если S n1 , S n2<< S p1< S p2 и , при освещении образца светом с hх>Еg сначала опустошается уровень Еt2 и затем Еt1 и соответственно ИК гашение наблюдается при малых интенсивностях собственной подсветки в длинноволновой области, а при больших - в коротковолновой области. При условии вместо ИК гашения наблюдается увеличение фоточувствительности в примесной области спектра.

В случае, когда 1?0, 1<1 без подсветки ФП начинается с hх = Еt2 во всей спектральной области ФП определяется зависимостью жp2 = f(hх).

2. Полупроводник p-типа, в котором кроме мелких акцепторных уровней с энергией ионизации Еа и концентрацией Nа есть глубокий донорный уровень с Еt1 =Ес - Et1д и с концентрацией М1 и акцепторный уровень с Еt2 =Ех +ЕА t2 и с концентрацией М2. ЕД t1 < Et2А . Допустим, что М2 +Nа?М1, S p2 < S n1 , S n2 <S p2 , S n1 > S p1 , жn2> жp2 , жn1 > жp1, 1=0, 2 <1, , Т=77К. Будем считать, что уровень Еt1 и Еt2 независимые. переход оптический перезарядка полупроводник

При таких условиях ФП начинается с hх= Еt2 и характерным резким ростом при Еg- Еt2. При освещении светом с Еg- Еt2 ? hх < Еg за счёт двойных оптических переходов через уровень Еt2 при переходе электронов из - зоны в С-зону образуются электронно-дырочные пары. В силу того, что S p2 < S n1 , S n2< S p2, S n1 , S n1< S p1 , происходит захват дырок на уровень Еt2 и электронов на уровень Et1 и накопление электронов в С-зоне. После выключения света с hх? Еg спад ФП происходит достаточно длительное время и определяется захватом (Sn2) электронов на уровень Еt2. Длительная выдержка образца в темноте приводит к установлению квазиравновесного состояния и при этом можно наблюдать индуцированную ФП в области Еt1 ? hх < Еt2 . При включении света с Еt1 ? hх < Еg- Еt2 наблюдаем вспышку ФП, обусловленную генерацией электронов с уровня Еt1 с последующей рекомбинаций электронно-дырочных пар через Nr .

При одновременном освещении «собственным» и «примесным» светом можно наблюдать увеличение ФП в области Еt1 ? hх < Еt2 и ИК гашение ФП в области Еg- Еt2 < hх < Еg. Если , тогда с увеличением интенсивности «собственной » подсветки наблюдается увеличение фоточувствительности во всей спектральной области, начиная с hх= Еt1 .

3. Полупроводник n-типа, в котором кроме мелких донорных уровней с энергией ионизации Еd и концентрацией Nd, есть глубокие уровни, как в n.2 . Условия для ж и S анологичны. Допустим, что Nd >М2 . Тогда ФП начинается с hх ?Еt1 и монотонно растет. В случае, если жn2 > жn1, проявится резкий рост ФП при hх= Еg-Еt2.

4. Полупроводник, в котором, кроме мелких акцепторных уровней с энергией ионизации Еа есть глубокие акцепторные уровни с Еt1 =Ес - Et1Аи глубокие донорные уровни с Еt2 =Ех +. Еt2 <Еt1. Допустим, что жp2> жn2, жp1> жn1, жp2 > жp1, S n1 < S p1 , S n2 >S p2 , , =0. При 2<1 ФП в области Еt2<hх<Еg-Еt2 определяется зависимостью жp2 =f(hх) . При освещении образца светом с h?Еg происходит захват электронов на уровни Еt2 , если он полностью пустой (2=0) или заполнен частично (2<1). Это приводит к тому, что при комбинированном освещении уменьшаются фоточувствительность в примесной области спектра за счёт заполнения уровня Еt2 . При 2=0, то есть при полном опустошении данного уровня, имеет максимальную фоточувствительность и ФП пропорционально .

Литература

1. Лебедев А.А. Влияние двойных оптических переходов на спектры примесной фотопроводимости в компенсированных полупроводниках. ФТП, 1973, т.7, №3, с.531-537

2. Лебедев А.А., Мамадалимов А.Т. Две полосы ИК гашения в кремнии с примесью цинка. ФТП, 1973, т.7, №8, с.1470-1473

3. Мамадалимов А.Т., Хабибуллаев П.К., Усманов Т.А. Особенности фотопроводимости кремния с примесью родия при температуре 4,2К. ФТП, 1981, т.15, №7, с 1275-1278.