Сульфид свинца сегодня широко применяется в технике в объемном состоянии. Группа ученых из американской национальной Лаборатории в Лос Аламос отличилась, создав фототранзистор на основе пленки из нанокристаллического PbS и исследовав его проводимость в зависимости от напряжения на затворе и освещения. Для объяснения наблюдаемого они воспользовались зонной теорией полупроводника.

Сульфид свинца на сегодняшний день – широко применяемый в технике полупроводник. Наиболее широко он используется в производстве фотоэлементов.

Рис. 1. Схема полученного фототранзистора.

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.

Рис. 2. Спектр поглощения нанокристаллического 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.

Рис. 3. Зависимость тока через транзистор от напряжения на затворе и энергии фотонов облучающего света.

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.

Рис. 4. Зонная диаграмма нанокристаллического PbS.

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.

Рис. 5. Схема осуществления темновой (a) и световой (b) проводимости нанокристаллического сульфида свинца.

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.