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 -æ 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.
. 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 =Еυ +ЕA t2 (ЕA t2 < Et1А),
концентрацией М1 и М2 , сечениями фотоионизацией æn1 , æp1 , æn2 ,æp2 ,
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, æp2 >æn2>æp1>æn1 и 
. Тогда при 1 <1, ФП
начинается с hυ=Еt1. В области
Et1≤ Еg- Et1 (Еg -ширина
запрещённой зоны полупроводника) ФП определяется зависимостью æn1= f(hυ). При Еg - Еt1 ≤ hυ < Еg- Еt2 ФП будет
уменьшатся за счёт двойных оптических переходов 
- зона - уровень Еt1 -С-зона и
рекомбинации через Nr. В области Еg- Еt2≤ hυ<Еgпроисходит
интенсивный переход электронов с уровня Еt2 в С-зону,
в силу того, что æn2>æp1. 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 hυ=Еg- Еt2. Если
образец осветить светом с hυ>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≤ hυ<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 ≤ hυ<Еg- Еt1 и . При
дальнейшем увеличении интенсивности подсветки с hυ >Еg происходит
опустошение уровня Еt2 . В этом случае ФП начинается с Еt2 и в
области Еt2 ≤ hυ<Еg- Еt1 спектр ФП
определяется зависимостью æp2= f(hυ). Если æp2>>æn2, æp1, æn2 и 
, то такая зависимость выполняется
до значений hυ≈Еg. При 
происходит ИК гашение начиная с hυ=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 hυ>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 hυ = Еt2 во всей
спектральной области ФП определяется зависимостью æp2 = f(hυ).
. 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 =Еυ +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 , æn2>
æp2
,
æn1 >
æp1,
1=0, 2 <1, , Т=77К. Будем
считать, что уровень Еt1 и Еt2
независимые. переход оптический перезарядка
полупроводник
При таких условиях ФП начинается с hυ= Еt2 и
характерным резким ростом при Еg- Еt2. При
освещении светом с Еg- Еt2 ≤ hυ < 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 hυ≥ 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 ≤ hυ < Еt2 . При
включении света с Еt1 ≤ hυ < 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 ≤ hυ < Еt2 и ИК
гашение ФП в области Еg- Еt2 < hυ < Еg. Если , тогда с
увеличением интенсивности «собственной » подсветки наблюдается увеличение
фоточувствительности во всей спектральной области, начиная с hυ= Еt1 .
. 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 æ и S анологичны.
Допустим, что Nd >М2 .
Тогда ФП начинается с hυ ≥Еt1 и
монотонно растет. В случае, если æn2 > æn1, проявится
резкий рост ФП при hυ= Еg-Еt2.
. Полупроводник, в котором, кроме
мелких акцепторных уровней с энергией ионизации Еа есть глубокие акцепторные
уровни с Еt1 =Ес - Et1Аи глубокие
донорные уровни с Еt2 =Еυ +
. Еt2
<Еt1. Допустим, что æp2>
æn2,
æp1>
æn1,
æp2
>
æp1,
S n1 < S p1 , S n2 >S p2 , , 
=0. При 2<1 ФП в
области Еt2<hυ<Еg-Еt2
определяется зависимостью æp2 =f(hυ) . 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
.
Лебедев А.А., Мамадалимов А.Т. Две полосы ИК гашения в кремнии с примесью цинка.
ФТП, 1973, т.7, №8, с.1470-1473
.
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.