ФИЗИКА

7.26. Фотопроводимость полупроводников

Направим на полупроводник пучок света интенсивностью I0. Проникая внутрь полупроводника, свет будет постепенно поглощаться, и его интенсивность I будет уменьшаться по закону

(7.26.116)

где х – глубина проникновения света;

- коэффициент поглощения.

Поглощаясь, свет может вызывать появление избыточных носителей, увеличивающих общую концентрацию свободных зарядов. На рис. 7.26.37 стрелкой 1 показано возбуждение электронов проводимости и дырок при собственном поглощении света полупроводником. Фотон с энергией ħω, равной или большей ширины запрещённой зоны Eg, переводит электрон из валентной зоны в зону проводимости. Образующиеся при этом пары «электрон-дырка» являются свободными и участвуют в создании проводимости полупроводника.

Стрелка 2 показывает возбуждение электронов примесного уровня. Для возбуждения примесных атомов фотон должен обладать энергией ħω ≥ Епр.

Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света называется внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретённая полупроводником при облучении светом, называется фотопроводимостью. Основная же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей заряда, называется темновой проводимостью, так как она отвечает проводимости затемнённого полупроводника.

В соответствии с тем, что под действием света избыточные носители могут возникать вследствие возбуждения как собственных, так и примесных носителей заряда, различают собственную и примесную фотопроводимости. Их красные границы определяются соотношениями:

(7.26.117)

- для собственных полупроводников;

- для примесных полупроводников.

Из (7.26.117) – красная граница для собственных полупроводников приходится на видимую часть спектра, красная граница примесных полупроводников лежит в инфракрасной области спектра.

Экситоны. При возбуждении фотопроводимости электроны из валентной зоны перебрасываются в зону проводимости и становятся свободными. Однако возможно и иное течение процесса, когда возбуждённый электрон не разрывает связи со своей дыркой, возникающей в валентной зоне, а образует с ней единую связанную систему. Такая система была названа экситоном. Экситон сходен с возбуждённым атомом водорода: в обоих случаях около единичного положительного заряда движется электрон, и энергетический спектр является дискретным. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости (рис. 7.26.38).

Так как экситоны являются электрически нейтральными системами, то возникновение их в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей заряда, вследствие чего поглощение света не сопровождается увеличением проводимости полупроводника. Возникнув, экситоны некоторое время блуждают по объёму полупроводника. При столкновении с примесными атомами, фононами и другими несовершенствами решётки экситоны или рекомбинируют, или «разрываются».

В первом случае возбуждённые атомы переходят в нормальное состояние, а энергия возбуждения передаётся узлами решётки или излучается в виде квантов света (люминесценция). Во втором случае образуется пара носителей – электрон и дырка. Они обусловливают фотопроводимость полупроводника.

На фотопроводимость полупроводников существенное влияние оказывает температура. С понижением температуры уменьшается число темновых носителей тока. Это приводит к увеличению, во-первых, относительной роли фотопроводимости в общей проводимости полупроводника, во-вторых, к увеличению абсолютной величины фотопроводимости, так как с уменьшением концентрации темновых носителей тока уменьшается вероятность рекомбинации фотоносителей.

к к к