Учебное пособие по курсам «Фотоэлектрические явления в полупроводниках» и«Фотоэлек­трические явления в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах»

/ 4 2 J

Рис. 4.2. Вольт-амперная характеристика продольного фоторезистора, обладающего фо­товыпрямлением: 1 - в темноте, 2 - при освещении (эксперимент), 3 - при освещении (тео­рия, учитывающая лишь ассиметрию освещения), 4 - при освещении (теория, учитывающая фотовыпрямление на контакте)
J



Однако в высокочувствительных высокоомных полупроводниках и диэлек­триках, обладающих большой кратностью изменения сопротивления при осве­щении, линейная в темноте вольтамперная характеристика может превратиться
в униполярную. Это явление удобно наблюдать на продольных пленочных фо­торезисторах. Продольным называется фоторезистор, в котором направление распространения светового потока и вектор электрического поля коллинеарны или антиколлинеарны. На рис. 4.2 приведена вольт-амперная характеристика продольного пленочного фоторезистора, имеющего структуру SnO₂-CdS-Al [14]. Слой SnO₂, нанесенный на стеклянную подложку, представляет собой прозрач­ный контакт, по своим характеристикам близкий к омическому. Слой CdS пред­ставляет собой высокочувствительный квазимонополярный фотопроводник. Пленка алюминия, нанесенная сверху при определенных условиях, образует с CdS контакт с ограниченным резервом носителей заряда, который на свету пре­вращается в выпрямляющий. Кривая 1 относится к темноте. Как видно из ри­сунка, выпрямление в темноте отсутствует. На свету вольт-амперная характе­ристика становится униполярной (кривая 2). Коэффициент выпрямления на свету достигает 20 при комнатной температуре. Понижение температуры зна­чительно увеличивает выпрямление. Пропускное направление не зависит от на­правления освещения и его спектрального состава. В работе [22] фотовыпрям­ление на монокристалле CdS объяснялось тем, что асимметрия вольт-амперной характеристики определяется асимметрией освещения. В самом деле, освеще­ние прикатодной области увеличивает резервуар основных носителей заряда в квазимонополярном полупроводнике (n-типа), которые при подаче отрицатель­ного смещения на освещенный контакт могут дрейфовать в глубь фотопровод­ника. При положительной полярности из контакта должны выходить дырки, концентрация которых в полупроводнике п-типа очень мала. Этим может объ­ясняться выпрямление, возникающее на свету. Поскольку в рассмотренном на­ми примере (рис. 4.2) фотоносители распределялись по толщине образца по за­кону Ламберта-Бугера
Ф = Ф₀е^ах ₍4Л)
где Ф_о - интенсивность светового потока под освещаемым электродом, необхо­димо было учесть влияние асимметрии световой генерации на вид вольт- амперной характеристики продольного фоторезистора (то есть такого, в кото­ром направление распространения светового потока и вектор электрического поля коллинеарны или антиколлинеарны). Расчет [14] показал, что учет нерав­номерности освещения действительно может привести к униполярности, одна­ко коэффициент выпрямления при этом не превышал 2,5-3 (рис. 4.2, кривая 3).
Для объяснения фотовыпрямления необходимо рассмотреть влияние кон­тактов на характеристики фотопроводника. Руппель [23] показал, что омиче­ский контакт может превратиться в запорный при освещении. Точечный при­жимной контакт I_n с монокристаллом CdS при освещении обнаруживал фото- ЭДС омического контакта («-» на металле). Увеличение освещенности приво­дило к смене знака фото-ЭДС (рис. 4.3, а). Полученный результат можно объ­яснить следующим образом. На границе монополярного полупроводника с ме­таллом концентрация n_K вследствие хорошего электрического обмена поддер­живается постоянной. Концентрация в объеме при освещении может повы­шаться на несколько порядков величины. Это приводит к тому, что прикон- тактный слой с повышенной концентрацией основных носителей (в темноте) превращается в обедненный слой на свету (рис. 4,3, б). Таким образом, омиче­ский в темноте контакт может превратиться в выпрямляющий при освещении.


а - зависимость ЭДС холостого хода от освещенности, б - зависимость концентрации основных носителей от освещенности.

1. 
   Фотоэлектрические свойства контакта металл - монополяр- ный полупроводник (диэлектрик)
   

В целях уменьшения влияния контактов на характеристики фотопрогодни- ка используют «омические» контакты. Однако, как отмечено выше, омичность, существующая в темноте, может нарушаться при освещении. Это приводит к необходимости рассмотрения фотоэлектрических свойств обедненного контак­та к фотопроводнику.
Считаем (см. гл. 3), что в запрещенной зоне монополярного фотопровод­ника имеются центры рекомбинация двух классов, причем
^«^«1 , 8„1™3_р1™3_р2 (4.2)