Сульфид свинца на сегодняшний день – широко применяемый в технике полупроводник. Наиболее широко он используется в производстве фотоэлементов.
Группа ученых из американской национальной Лаборатории в Лос Аламос получила фототранзистор на основе пленки из нанокристаллического PbS (рис. 1). Управление проводимостью канала в таком устройстве может осуществляться как приложением управляющего напряжения к затворному электроду (то есть за счет полевого эффекта), так и освещением поверхности (то есть за счет генерации светом неравновесных носителей заряда). Нанокристалличность, по-видимому, требовалась для увеличения ширины запрещенной зоны по сравнению с объемным сульфидом свинца. Размер нанокристаллов составлял около 3,3 нм, что соответствовало ширине запрещенной зоны около 1,3 эВ. Это, безусловно, влияло на спектр поглощения PbS.
Хочу сразу сказать, что вероятность поглощения фотона резко увеличивается с ростом его энергии (рис. 2), следовательно, скорость генерации носителей заряда при этом тоже возрастает, и фотопроводимость увеличивается. Это позволяет в исследованиях фотопроводимости оперировать не интенсивностью света, а энергией фотонов монохроматического излучения.
Исследователи изучили двухпараметрическую зависимость тока через транзистор от управляющего напряжения и энергии фотонов света (рис. 3). (Для темновой проводимости истинной является только ветвь, соответствующая отрицательным напряжениям, а положительная ветвь – артефакт измерений, в то время как в действительности ток очень близок к нулю). Из требуемой отрицательности прилагаемых затворных напряжений можно сделать вывод о дырочном характере проводимости. А из различной подвижности носителей заряда при световой и темновой проводимости – об обеспечении их разными энергетическими зонами.
Зонная диаграмма сульфида свинца (рис. 4) содержит заполненную валентную зону, пустую зону проводимости и промежуточный между ними почти полностью занятый (а следовательно, почти не проводящий) локальный уровень. Приложение электрического поля снижает уровень Ферми, повышая концентрацию дырок на локальном энергетическом уровне и обеспечивая за счет него темновую проводимость. Освещение же выбивает электроны из валентной зоны, создавая там дырки и делая ее проводящей. Так называемая зона проводимости в проводимости практически не участвует в обеспечении проводимости транзистора.
Подобные описанному устройства уже сейчас находят применение на практике (в составе фотоэлементов и оптопар), так что подробный анализ работы конкретного их примера может оказаться не только занимательным, но и полезным.
