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 фотоионизацииж и захватаS 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. 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 p2жn2>жp1>жn1 и. Тогда при 1 <1, ФП начинается с hх=Еt1. В области Et1? ЕgEt1 (Еgширина запрещённой зоны полупроводника) ФП определяется зависимостью жn1= f (hх). При Еg — Еt1? hх < ЕgЕt2 ФП будет уменьшатся за счёт двойных оптических переходов — зона — уровень Еt1 -С-зона и рекомбинации через Nr. В области ЕgЕt2? 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=ЕgЕt2. 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 ЕgЕt1? hх<�ЕgЕt2 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<�ЕgЕt1 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<�ЕgЕt1 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 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 ЕgЕt2. При освещении светом с ЕgЕt2? 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 < ЕgЕt2 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 ЕgЕt2 < 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<�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.