[科普中国]-杂质光

在掺杂型半导体材料中，杂质原子的能级离导带或满带边缘较近。因此，即使入射的光子能量较小(也就是光的波长较长)，还是能够激发杂质原子，产生光生电子或光生空穴，从而使电导增大，这就是杂质光电导。杂质光电导的极限波长可向长波方面移动，同时可获得较高的灵敏度。1

概念对于杂质半导体，光照使束缚于杂质能级上的电子或空穴电离，因而增加了导带或价带的载流子浓度，产生杂质光电导。由于杂质电离能比禁带宽度小很多，从杂质能级上激发电子或空穴所需的光子能量比较小，因此，杂质半导体作为远红外波段的探测器，具有重要的作用。例如，选用不同的杂质，Ge探测器的使用范围为10～120μm。

由于杂质原子浓度比半导体材料本身的原子浓度一般要小很多个数量级，所以和本征光电导相比，杂质光电导是十分微弱的。同时，所涉及的能量都在红外光范围，激发光实际上不可能很强。因此，测量杂质光电导一般都必须在低温下进行，以保证平衡载流子浓度(暗电导)很小，使杂质中心上的电子或空穴基本上都处在束缚状态。例如对电离能E1=0．01eV的杂质能级，必须采用液氦低温；对于较深的杂质能级，可以在液氮温度下进行。杂质光电导的测量已经成为研究杂质能级的重要方法。2

杂质光电导效应杂质光电导是指杂质半导体中的施主或者受主吸收光子能量后电离，产生自由电子或窄穴，从而增加材料电导率的现象。

由于杂质光电导器件中施主或受主的电离能级比同材料的本征半导体的禁带宽度要小很多，因此响应波长也要比本征半导体材料的工作波长要长很多。如用E1表示杂质半导体的电离能，则杂质光电导器件的截止波长可以表示为

由于，因此，杂质截止波长总是大于本征截止波长（检测波长范围增宽）。

同时，因为杂质的电离能很小，为了避免热激发的载流子产生的噪声超过光激发的信号载流子，多数杂质半导体光电导器件都必须T作在低温状态，因此在使用中常将光电器件放在装有制冷剂的容器中。日前使用的光电导材料有硅、锗掺杂等半导体材料。3

杂质光电导探测器杂质光电导探测器是基于非本征光电导效应的光敏电阻。目前已制成许多锗、硅及锗硅金的杂质红外光电导器件。它们都工作于远红外区(8~40)μm波段。

由于杂质光电导器件中施主和受主的电离能△E一般比本征半导体禁带宽度Eg小得多,所以响应波长比本征光电导器件要长。相比来说,杂质原子的浓度比材料本身原子的浓度要小很多,在温度较高时,热激发载流子的浓度很高,为使光照时在杂质能级上激发出较多的载流子,所以杂质光电导器件都必须工作于低温状态。具体实现的方法是把器件装在杜瓦瓶中。杜瓦瓶有玻璃结构和金属结构两种,玻璃杜瓦瓶的结构如图1所示。瓶为双层玻璃结构,夹层中抽真空并镀铝以减少热辐射损失和热传导损失。探测器装在中央阱中。

杂质光电导探测器的工作温度及性能参数见图2，其中以锗掺铜(Cu,Ge)和锗掺汞(Hg,Ge)响应时间短、探测度高,使用较多。

杜瓦瓶采用的致冷剂有如下几种:195K致冷剂为干冰,其气化温度为194.6K。77K附近的致冷剂为液态氧、液态氩、液态氮。它们的气化温度分别为90.2K，87.3K及77.3K。35K以下的致冷剂为液氖、液氢和液氦。它们的气化温度分别为27.1K，20.4K和4.2K。4

杂质光电导的光谱分布半导体杂质能级上的电子或空穴吸收光子后,被激发成为自由的光生载流子,这时光子的能量必须大于或等于杂质的电离能。由于杂质电离能比禁带宽度小,所以杂质光电导的光谱响应的长波限比本征光电导的长。

由于杂质原子的数目比半导体材料晶格原了数目小得多,所以杂质光电导效应相对本征光电导要微弱得多。

由于杂质的电离能一般很小,因此对应的光电导长波限很长,实际上所涉及的光子能量都在红外波段。为了观察或应用杂质光电导效应,必须降低工作温度,以保证未受光激发时杂质能级上的电子与空穴基本上处于束缚态,自由载流子数目很少(暗电导小)例如应用锗中价带以上0.16eV的金能级所得到的光电导具有8μm的长波限,在液态氮温度下具有优越的响应特性;锗中掺铜的红外探测器的响应波长超过29μm,灵敏度峰值在24m处,它在17.5K时,具有最佳的探测性能。

图3是典型的锗掺金杂质光电导光谱响应曲线，曲线在0.7eV附近急剧上升,表示本征光电导开始。在本征长波限左边,光子能量小于锗的禁带宽度Eg(0.67eV),这时的光电导显然是杂质光电导。当杂质光电导光谱曲线继续向左边延伸时,可以看到,在某一波长处,曲线迅速下降,这就是杂质光电导的长波限,这长波限对应的能量即为杂质的电离能。由于杂质光电导光谱分部曲线在长波限下降不是垂直的,所以难于准确确定长波限的位置,因此,由此确定的杂质能级位置也只是一种近似。

但由杂质光电导的光谱分布曲线长波限所确定的杂质电离能数值与用电学方法所测定的杂质电离能的数值基本上是相符合的。因此,杂质光电导的测量是研究杂质能级的重要方法。

图3中的三条曲线表示掺有不同量的补偿砷施主杂质的光电导谱分布。金元素在锗中存在多重能级,在不掺砷施主杂质时,金是受主,锗是p型半导体,其长波限在0.05eV处。当加进少

量砷施主杂质,此时锗仍是p型,长波限相应在0.15eV处。当加进足够多的砷施主杂质,使锗由p型转变为n型(n型Ge:Au:As)，曲线长波限相应于0.2ev。这于用电学方法测出的金锗中形成的多重能级的电离能是一致的。5

本词条内容贡献者为:

李岳阳 - 副教授 - 江南大学