在摻雜型半導體材料中，雜質原子的能級離導帶或滿帶邊緣較近。因此，即使入射的光子能量較小(也就是光的波長較長)，還是能夠激發雜質原子，產生光生電子或光生空穴，從而使電導增大，這就是雜質光電導。雜質光電導的極限波長可向長波方面移動，同時可獲得較高的靈敏度。
基本介紹
- 中文名：雜質光
- 外文名：Impurity light
- 運用領域：電子工程
- 相關：本徵光
概念,雜質光電導效應,雜質光電導探測器,雜質光電導的光譜分布,
概念
對於雜質半導體，光照使束縛於雜質能級上的電子或空穴電離，因而增加了導帶或價帶的載流子濃度，產生雜質光電導。由於雜質電離能比禁頻寬度小很多，從雜質能級上激發電子或空穴所需的光子能量比較小，因此，雜質半導體作為遠紅外波段的探測器，具有重要的作用。例如，選用不同的雜質，Ge探測器的使用範圍為10～120μm。
由於雜質原子濃度比半導體材料本身的原子濃度一般要小很多個數量級，所以和本徵光電導相比，雜質光電導是十分微弱的。同時，所涉及的能量都在紅外光範圍，激發光實際上不可能很強。因此，測量雜質光電導一般都必須在低溫下進行，以保證平衡載流子濃度(暗電導)很小，使雜質中心上的電子或空穴基本上都處在束縛狀態。例如對電離能E1=0．01eV的雜質能級，必須採用液氦低溫；對於較深的雜質能級，可以在液氮溫度下進行。雜質光電導的測量已經成為研究雜質能級的重要方法。
雜質光電導效應
雜質光電導是指雜質半導體中的施主或者受主吸收光子能量後電離，產生自由電子或窄穴，從而增加材料電導率的現象。
由於雜質光電導器件中施主或受主的電離能級比同材料的本徵半導體的禁頻寬度要小很多，因此回響波長也要比本徵半導體材料的工作波長要長很多。如用E1表示雜質半導體的電離能，則雜質光電導器件的截止波長可以表示為
由於
，因此，雜質截止波長總是大於本徵截止波長（檢測波長範圍增寬）。
同時，因為雜質的電離能很小，為了避免熱激發的載流子產生的噪聲超過光激發的信號載流子，多數雜質半導體光電導器件都必須T作在低溫狀態，因此在使用中常將光電器件放在裝有製冷劑的容器中。日前使用的光電導材料有矽、鍺摻雜等半導體材料。
雜質光電導探測器
雜質光電導探測器是基於非本徵光電導效應的光敏電阻。目前已製成許多鍺、矽及鍺矽金的雜質紅外光電導器件。它們都工作於遠紅外區(8~40)μm波段。
圖1
圖1由於雜質光電導器件中施主和受主的電離能△E一般比本徵半導體禁頻寬度Eg小得多,所以回響波長比本徵光電導器件要長。相比來說,雜質原子的濃度比材料本身原子的濃度要小很多,在溫度較高時,熱激發載流子的濃度很高,為使光照時在雜質能級上激發出較多的載流子,所以雜質光電導器件都必須工作於低溫狀態。具體實現的方法是把器件裝在杜瓦瓶中。杜瓦瓶有玻璃結構和金屬結構兩種,玻璃杜瓦瓶的結構如圖1所示。瓶為雙層玻璃結構,夾層中抽真空並鍍鋁以減少熱輻射損失和熱傳導損失。探測器裝在中央阱中。
雜質光電導探測器的工作溫度及性能參數見圖2，其中以鍺摻銅(Cu,Ge)和鍺摻汞(Hg,Ge)回響時間短、探測度高,使用較多。
圖2
圖2雜質光電導的光譜分布
半導體雜質能級上的電子或空穴吸收光子後,被激發成為自由的光生載流子,這時光子的能量必須大於或等於雜質的電離能。由於雜質電離能比禁頻寬度小,所以雜質光電導的光譜回響的長波限比本徵光電導的長。
由於雜質原子的數目比半導體材料晶格原了數目小得多,所以雜質光電導效應相對本徵光電導要微弱得多。
由於雜質的電離能一般很小,因此對應的光電導長波限很長,實際上所涉及的光子能量都在紅外波段。為了觀察或套用雜質光電導效應,必須降低工作溫度,以保證未受光激發時雜質能級上的電子與空穴基本上處於束縛態,自由載流子數目很少(暗電導小)例如套用鍺中價帶以上0.16eV的金能級所得到的光電導具有8μm的長波限,在液態氮溫度下具有優越的回響特性;鍺中摻銅的紅外探測器的回響波長超過29μm,靈敏度峰值在24m處,它在17.5K時,具有最佳的探測性能。
圖3是典型的鍺摻金雜質光電導光譜回響曲線，曲線在0.7eV附近急劇上升,表示本徵光電導開始。在本徵長波限左邊,光子能量小於鍺的禁頻寬度Eg(0.67eV),這時的光電導顯然是雜質光電導。當雜質光電導光譜曲線繼續向左邊延伸時,可以看到,在某一波長處,曲線迅速下降,這就是雜質光電導的長波限,這長波限對應的能量即為雜質的電離能。由於雜質光電導光譜分部曲線在長波限下降不是垂直的,所以難於準確確定長波限的位置,因此,由此確定的雜質能級位置也只是一種近似。
圖3
圖3但由雜質光電導的光譜分布曲線長波限所確定的雜質電離能數值與用電學方法所測定的雜質電離能的數值基本上是相符合的。因此,雜質光電導的測量是研究雜質能級的重要方法。
圖3中的三條曲線表示摻有不同量的補償砷施主雜質的光電導譜分布。金元素在鍺中存在多重能級,在不摻砷施主雜質時,金是受主,鍺是p型半導體,其長波限在0.05eV處。當加進少
量砷施主雜質,此時鍺仍是p型,長波限相應在0.15eV處。當加進足夠多的砷施主雜質,使鍺由p型轉變為n型(n型Ge:Au:As)，曲線長波限相應於0.2ev。這於用電學方法測出的金鍺中形成的多重能級的電離能是一致的。
