Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ) 
Фотоприемники на основе твердого раствора кадмий-ртуть-телур (КРТ)
Введение В настоящее время тем, кто более-менее знаком с полупроводниковыми технологиями, сочетание букв КРТ - не пустой звук, а довольно обширная тема. Твердые растворы на основе КРТ доказали на практике свои преимущества, и областей, где их используют, сейчас довольно много. Тепловизионная техника, основанная на применении фотоприемников инфракрасного ИК-диапазона на длины волн 1-30 мкм, используется в различных областях народного хозяйства:Использование ИК-фотоприемников на основе КРТ§ - химическая промышленность;§ - металлургия черных и цветных металлов;§ - медицина (ранняя диагностика раковых опухолей и других заболеваний);§ - геология (поиск нефтегазовый, рудных и нерудных месторождений и геотермальных вод);§ - городское хозяйство (для обнаружения скрытых утечек тепла, горячей и холодной воды в теплотрассах и водопроводной сети, обнаружение карстовых полостей в районах массовой застройки, обнаружение нарушения изоляции электропроводки);§ - сельское хозяйство (контроль увлажнения и иссушения почв, состояние посевов с/х культур, выявление поражения вредителями и болезнями посевов и т.д.);§ - лесное хозяйство (выявление массового поражения леса вредителями, обнаружение очагов лесных пожаров при значительном задымлении);§ - экология (тепловые загрязнения рек и водоёмов, загрязнения воздушного бассейна выбросами электростанций и других промышленных предприятий, наблюдение за миграцией подземных вод - отходов металлургической и химической промышленности);§ - контроль и диагностика чрезвычайных ситуаций;§ - энергетика (дистанционный контроль предаварийных ситуаций крупных энергетических объектов).В чем же секрет успеха этих соединений?Ведь если разобраться, в настоящее время у HgCdTe много больше конкурентов, чем когда-либо прежде. К ним относятся кремниевые диоды с барьером Шоттки, гетеропереходы SiGe, структуры с множеством квантовых ям на основе AlGaAs, сверхрешетки на основе напряженных слоев GalnSb, высокотемпературные сверхпроводники, а также два типа тепловых детекторов: пироэлектрические детекторы и кремниевые болометры. Однако ни один из вышеперечисленных детекторов не может конкурировать с HgCdTe по фундаментальным свойствам. Они могут быть более технологичными, но никогда не смогут обеспечить более высокие рабочие характеристики или, за исключением тепловых детекторов, функционировать при более высоких или даже сравнимых температурах.Особые преимущества HgCdTe - прямая запрещенная зона, возможность получать как низкую, так и высокую концентрацию носителей заряда, высокую подвижность электронов и низкую диэлектрическую постоянную. Чрезвычайно малое изменение периода кристаллической решетки с изменением состава позволяет выращивать высококачественные многослойные структуры и структуры со ступенчатой шириной запрещенной зоны. HgCdTe может использоваться для детекторов, работающих в различных режимах, а также может быть оптимизирован для использования в диапазоне температур от жидкого гелия до комнатной в чрезвычайно широком диапазоне ИК-спектра (1-30 мкм). Такой широкий диапазон длин волн дает и широкие области применения. 1. Теоретические основы фотопроводимости. Типы проводимостей полупроводников1.1 Собственная проводимостьСобственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью. Примером собственных полупроводников могут служить химически чистые Ge, Si, а также многие химические соединения: InSb, GaAs, CdS и др.При 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики. При повышении же температуры электроны с верхних уровней валентной зоны I могут быть переброшены на нижние уровни зоны проводимости I I (рис. 1:3). При наложении на кристалл электрического поля они перемещаются против поля и создают электрический ток. Таким образом, зона I I из-за ее частичного «укомплектования» электронами становится зоной проводимости. Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа.Рис. 1 Схемы проводимости п/п:1, а), б) примесная с донорной примесью; 2, а), б) примесная с акцепторной примесью; 3), 4) собственная. В результате тепловых забросов электронов из зоны I в зону I I в валентной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок. Во внешнем электрическом поле на освободившееся от электрона место - дырку - может переместиться электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон, и т. д. Такой процесс заполнения дырок электронами равносилен перемещению дырки в направлении, противоположном движению электрона, так, как если бы дырка обладала положительным зарядом, равным по величине заряду электрона.Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами - дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа.Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости - электронный и дырочный. Число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне, так как последние соответствуют электронам, возбужденным в зону проводимости. Следовательно, если концентрации электронов проводимости и дырок обозначить соответственно ne и nр, то ne = nр.Проводимость полупроводников всегда является возбужденной, т.е. появляется только под действием внешних факторов (температуры, облучения, сильных электрических полей и т.д.).В собственном полупроводнике уровень Ферми находится в середине запрещенной зоны (рис. 1:4). Действительно, для переброса электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости затрачивается энергия активации, равная ширине запрещенной зоны ДE. При появлении же электрона в зоне проводимости в валентной зоне обязательно возникает дырка. Следовательно, энергия, затраченная на образование пары носителей тока, должна делиться на две равные части. Так как энергия, соответствующая половине ширины запрещенной зоны, идет на переброс электрона и такая же энергия затрачивается на образование дырки, то начало отсчета для каждого из этих процессов должно находиться в середине запрещенной зоны. Энергия Ферми в собственном полупроводнике представляет собой энергию, от которой происходит возбуждение электронов и дырок.1.2 Примесная проводимостьПроводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники - примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена примесями (атомы посторонних элементов), а также дефектами типа избыточных атомов (по сравнению со стехиометрическим составом), тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т.д.) дефектами. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 106 раз.Примесную проводимость полупроводников рассмотрим на примере Ge и Si, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. Например, при замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 1:1.а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, т. е. стать свободным. Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи; следовательно, в отличие от случая, рассмотренного выше, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.С точки зрения зонной теории рассмотренный процесс можно представить следующим образом (рис. 1:1.б). Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем. В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается от дна зоны проводимости на расстоянии ДЕD = 0.013 эВ. Так как ДЕD < kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах мышьяка и в проводимости не участвуют.Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей - донорными уровнями.Предположим, что в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 1:2.а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где соответственно образуется дырка. Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике, т.е. дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды. Избыточный же отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не может.По зонной теории, введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А, не занятого электронами. В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ДЕА = 0.08 эВ (рис. 1:2.б). Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кремния, т.е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками р-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей - акцепторными уровнями.В отличие от собственной проводимости, осуществляющейся одновременно электронами и дырками, примесная проводимость полупроводников обусловлена в основном носителями одного знака: электронами - в случае донорной примеси, дырками - в случае акцепторной. Эти носители тока называются основными. Кроме основных носителей в полупроводнике имеются и неосновные носители: в полупроводниках n-типа - дырки, в полупроводниках р-типа - электроны.Рис.2 а) расположение уровня Ферми в п/п n-типа при 0 К;б) расположение уровня Ферми в п/п p-типа при 0 К;в) график зависимости ln от 1/Т для примесного п/п. Наличие примесных уровней в полупроводниках существенно изменяет положение уровня Ферми EF. Расчеты показывают, что в случае полупроводников n-типа уровень Ферми EFo при 0 К расположен посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем (рис. 2, а).С повышением температуры все большее число электронов переходит из донорных состояний в зону проводимости, но, помимо этого, возрастает и число тепловых флуктуаций, способных возбуждать электроны из валентной зоны и перебрасывать их через запрещенную зону энергий. Поэтому при высоких температурах уровень Ферми имеет тенденцию смещаться вниз (сплошная кривая) к своему предельному положению в центре запрещенной зоны, характерному для собственного полупроводника.Уровень Ферми в полупроводниках р-типа при Т = 0 К EFo располагается посередине между потолком валентной зоны и акцепторным уровнем (рис. 2, б). Сплошная кривая опять-таки показывает его смещение с температурой. При температурах, при которых примесные атомы оказываются полностью истощенными и увеличение концентрации носителей происходит за счет возбуждения собственных носителей, уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны, как в собственном полупроводнике.Проводимость примесного полупроводника, как и проводимость любого проводника, определяется концентрацией носителей и их подвижностью. С изменением температуры подвижность носителей меняется по сравнительно слабому степенному закону, а концентрация носителей - по очень сильному экспоненциальному закону, поэтому проводимость примесных полупроводников от температуры определяется в основном температурной зависимостью концентрации носителей тока в нем. На (рис. 2, в) дан примерный график ln у от 1/Т для примесных полупроводников. Участок АВ описывает примесную проводимость полупроводника. Рост примесной проводимости полупроводника с увеличением температуры обусловлен в основном повышением концентрации примесных носителей. Участок ВС соответствует области истощения примесей, участок CD описывает собственную проводимость полупроводника.Фотопроводимость полупроводниковУвеличение электропроводности полупроводников может быть обусловлено не только тепловым возбуждением носителей тока, но и под действием электромагнитного излучения. В таком случае говорят о фотопроводимости полупроводников. Фотопроводимость полупроводников может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (hн ? ?E), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 3, а), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная электронами и дырками.Рис.3 Схемы фотопроводимости полупроводника:а) собственная ф/п;б) примесная ф/п, донорная примесь, п/п n-типа;в) примесная ф/п, акцепторная примесь, п/п p-типа. Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при hн < ?E: для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией hн ? ?ED, а для полупроводников с акцепторной примесью hн ? ?EA. При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n-типа (рис. 3, б) или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (рис. 3, в). В результате возникает примесная фотопроводимость, являющаяся чисто электронной для полупроводников n-типа и чисто дырочной для полупроводников р-типа.Из условия hн = hc/л можно определить красную границу фотопроводимости - максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается:для собственных полупроводников л0 = hc/?Eдля примесных полупроводников л0 = hc/?Eп(?Eп - в общем случае энергия активации примесных атомов).Учитывая значения ?E и ?Eп для конкретных полупроводников, можно показать, что красная граница фотопроводимости для собственных полупроводников приходится на видимую область спектра, для примесных же полупроводников - на инфракрасную.Тепловое или электромагнитное возбуждение электронов и дырок может и не сопровождаться увеличением электропроводности. Одним из таких механизмов может быть механизм возникновения экситонов. Экситоны представляют собой квазичастицы - электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
|
|
