Фотоэлектрические явления

Внутренний фотоэффект

Явление внутреннего фотоэффекта состоит в увеличении концентрации свободных носителей заряда в полупроводнике за счет их оптическоговозбуждения.

Первичным актом внутреннего фотоэффекта является погло­щение фотона. Как следует из рассмотрения разделов 4.1 и 4.2, процесс образования свободных носителей заряда сильно зависит от типа полупроводника, степени легирования, типа и количества дефектов, температуры и других параметров, определяющих особенности процесса поглощения света полупроводником. Если в результате поглощения квантов света происходят межзонные переходы (напр. переход 1, рис. 4.9), то имеет место собственная фотопроводимость. Для прямозонных полупроводников при вертикальных переходах энергия фотона hv должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, т. е.

hv≥ E_g (4.25)

В случае непрямых переходов, когда сохранение импульса обеспечивается за счет фонона с энергией Е_рh, энергетическое условие фотоэффекта имеет вид:

hv≥ E_g + Е_рh. (4.26)

Для сильно легированного полупровод­ника n-типа, когда уровень Ферми рас­положен выше дна зоны проводимости на величину ξ_n, фотоэффект наступает при:

hv ≥ E_g + ξ_n. (4.27)

Наконец, в сильно легированном полупроводнике р-типа проводимости уровень Ферми лежит на величину ξ_p ниже края валентной зоны, поэтому:

hv ≥ E_g + ξ_p. (4.28)

EC 2 Eпр 1 3 EV
Рис. 4.9. Схема оптических переходов в полупроводнике, которые могут приводить к фотопрово­димости	Рис. 4.10. Спектральное распределение фототока некоторых полупроводников в об­ласти собственного поглощения

В собственном полупроводнике переходы электронов с hv<E_g невозможны, поэтому собственная полоса поглощения, всегда имеет хорошо выраженную длинноволновую границу. Зона проводимости у большинства полупроводников достаточно широкая (несколько эВ), что допускает поглощение фотонов с достаточно большой энергией. Следует ожидать, поэтому, что спектральное распределение внутреннего фотоэффекта будет простираться далеко в коротковолновую об­ласть. Однако на практике это не происходит. Как видно из рис. 4.10, при увеличении энергии фотонов, фототок сначала увеличивается, а затем резко снижается. Такое поведение фототока можно объяснить тем, что при увеличении энергии фотонов увеличивается коэффи­циент собственного поглощения, и, в соответствии с законом Бугера-Ламберта, область поглощения фотонов располагается все ближе к поверхности полупроводника. Следовательно, при больших энергиях фотонов область поглощения и, соответственно, область генерации фотоносителей, располагается вблизи поверхности полупроводника. В связи с высокой скоростью поверхностной рекомбинации, в приповерхностной области полупроводника время жизни носителей заряда существенно меньше, чем в объеме образца. Изменение времени жизни неравновесных носителей за­ряда приводит к уменьшению фотопроводимости в области коротких длин волн (рис. 4.10).

При наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней, оптическое поглощение может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и энергетическими зонами (переходы 2 и 3, рис. 4.10). В этом случае фотопроводимость называют при­месной фотопроводимостью. Поскольку энергия иони­зации примеси Е_пр меньше ширины запрещенной зоны E_g, то спектр примесного фототока расположен в длинноволновой области по отношению к спектру собственной фотопроводимости. При экситонном поглощении света имеет место создание связан­ной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Поэтомуэкситонное поглощение первона­чально не ведет к возникновению свободных носителей заряда. Однако в реальных кристаллических структурах экситоны могут диссоциировать при взаимодействии с фононами, примесными цен­трами и дефектами решетки. Таким образом, образование экситонов в конечном итоге ведет к возникновению свободных носителей заряда, а следовательно, и фототока.

Поглощение света свободными носителями заряда и колебаниями решетки непосредственно не могут привести к изменению концен­трации носителей заряда Однако возрастание концентрации носи­телей заряда в этих случаях может происходить в результате вторич­ных эффектов, когда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергию свободных носителей заряда, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.

Фотопроводимость

Изменение электрического сопротивления полупроводника под действием излучения называют фоторезистивным эффектом. Доба­вочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными оптической генерацией, носит название фотоnроводимости. Таким образом, явление фотопроводимости заключается в увеличении электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения.

Увеличение концентрации носителей заряда в полупроводниках под действием электромагнитного излучения реализуется посредством механизмов, описанных в разделах 4.1, 4.2, 4.3.1. При поглощении фотона электронно-дырочная пара получает избыточную (по отношению к границам зон E_C и E_V) энергию и квазиимпульс. Однако эти неравновесные носители весьма быстро релаксируют и равновесное распределение фотоносителей по энергии устанавливается за время, меньшее времени нахождения в соответствующих зонах. После процесса "термализации", распределение электронов и дырок по энергии и импульсу становится таким же, как для равновесных электронов и дырок. Тогда полную электропроводность полупроводника можно определить как:

, (4.29)

где , – равновесные концентрации электронов и дырок; , – неравновесные концентрации электронов и дырок.

Равновесные носители заряда определяют так называемую темновую электропроводность , а неравновесные носители – определяют фотопроводимость , т.е. проводимость, обусловленную действием оптического излучения:

. (4.30)

Очевидно, что концентрация неравновесных носителей зависит как от условий облучения, интенсивности и спектрального состава света, так и от характеристик полупроводникового материала. Пусть на слой вещества толщиной dx, имеющего коэффициент поглощения α, падает свет интенсивности I (I=n_phhv, где n_ph – плотность фотонов, hv – энергия фотона). Тогда количество световой энергии, поглощаемой в единицу времени в единице объема этого вещества:

dI/dx = αI (4.31)

Следовательно, при поглощении квантов света энергии hv в еди­нице объема полупроводника в единицу времени для области соб­ственного поглощения образуются избыточные электроны и дырки в количестве:

G = βαI/hν (4.32)

Здесь коэффициент пропорциональности β есть квантовый выход фотоионизации. Коэффициент β определяет число носителей заряда, образуемых одним поглощенным фотоном, если интенсивносить света – это число квантов в секунду на единицу поверхности. G – скорость генерации носителей заряда.

Процесс фотостимулированного увеличения концентрации носителей заряда (генерации) не может продолжаться бесконечно из-за конкурирующего процесса – рекомбинации носителей заряда. Поскольку скорость генерации неравновесных носителей остается постоянной при неизменной интенсивности облучения, то через некоторое время скорости генерации и рекомбинации окажутся равными и концентрация носителей заряда стабилизируется на стационарных уровнях - и .

Используя уравнение непрерывности, в котором генерационный член написан в виде (4.32) можно определить стационарную концентрацию неравновесных носителей заряда в виде:

(4.33)

(4.34)

Тогда формулу (4.30) можно переписать для стационарного случая, как:

, (4.35)

Таким образом, стационарная фотопроводимость определяется скоростью генерации, временем жизни неравновесных носителей заряда, их подвижностью. Время жизни зависит от структуры полупроводника, степени его чистоты и температуры. В практически важных случаях оно изменяется в пределах от 10^–1 до 10^–3с.

Стационарную плотность фототока, согласно закону Ома, можно записать в виде:

E. (4.36)

Если учесть, что μ_nE=V_n, а μ_pE=V_p, L – размер полупроводника в направлении поля, время дрейфа: t_n=L/V_n и t_p=L/V_p, тогда:

. (4.37)

Следует отметить, что на практике зависимость носит более сложный характер, так как при выводе этого уравнения рассматривалась упрощенная картина процессов в полупроводниках. С другой стороны, если один из членов в скобках формулы (4.37) значительно больше другого (например, за счет разницы во времени жизни электронов и дырок), то фотопроводимость будет определяться зарядом одного знака и ее называют монополярной.

Характеристика полупроводника, численно равная отношению фотопроводимости к интенсивности света называется удельной фоточувствительностью полупроводника:

S_ф=σ_ф/I (4.38)