Внутренний фотоэффект. Фотопроводимость

При переходах электронов из валентной зоны или из примесных уровней в зону проводимости, или из валентной зоны на примесные уровни, возникают новые свободные носители заряда, способные участвовать в переносе тока. Это приводит к изменению концентрации носителей заряда.

Изменение концентрации носителей заряда в веществе при его освещении, приводящее к изменению его электрических свойств, называется внутренним фотоэффектом. При внутреннем фотоэффекте, в отличие от внешнего, оптически возбужденные электроны остаются внутри освещенного тела, электрическая нейтральность которого не нарушается.

Внутренний фотоэффект обуславливается собственным и примесным поглощением, так как остальные типы поглощения не создают свободных носителей зарядов. На рисунке 8.10 показаныфотоэлектрические переходы, в результате которых создаются свободные носители заряда.

Рис.8.10. Фотоэлектрические переходы в полупроводниках:

1-собственные переходы, 2- примесные переходы,
Е_ad и Е_aa энергии активации доноров и акцепторов

Внутренний фотоэффект - явление не поверхностное, а объемное, поэтому даже если коэффициент поглощения и будет незначительным, тем не менее эффект будет значительным.

Под действием оптического излучения изменяется проводимость полупроводника. Это изменение проводимости называется фотопроводимостью. Как известно, проводимость полупроводников определяется выражением: σ=σ_n +σ_p =e(nμ_n + pμ_p), (8.15)

где σ_n и σ_p – электронная и дырочная составляющие проводимости, μ_n и μ_p - подвижности электронов и дырок; n и p - объемные концентрации свободных электронов и дырок.

Из выражения (8.15) видно, что проводимость может изменяться в результате изменения концентрации носителей или их подвижности.

При поглощении излучения в собственной или примесной области спектра происходит оптическая генерация носителей заряда, т.е. увеличивается их концентрация, вследствие чего нарушается термодинамическое равновесие системы электрон-решетка. Поэтому избыточные электроны и дырки, генерирующиеся при освещении полупроводника, называются неравновесными носителями заряда (равновесные носители генерируются путем термического возбуждения).

Если концентрация свободных электронов в результате поглощения излучения изменится на величину Δn, а концентрация дырок на величину ∆p, то проводимость полупроводника изменится на величину

∆σ=е(μ_nΔn+μ_pΔp). (8.16)

Полная проводимость освещенного полупроводника может быть представлена как сумма равновесной проводимости в темноте (темновой проводимости) и фотопроводимости:

σ = σ₀ + Δσ = еμ_n(n₀ + Δn) + eμ_p(p₀ + Δp). (8.17)

При определенных условиях освещения полупроводника может привести не к повышению, а к понижению его проводимости, т.е. Δn,Δp<0. Это явление называется отрицательной фотопроводимостью.

В неравновесных условиях концентрация электронов n=n₀+Δn и дырок p=p₀+Δp не может определяться положением уровня Ферми, которое имеет смысл только при термодинамическом равновесии. Однако неравновесную концентрацию зарядов удобно описывать выражениями, справедливыми для равновесной концентрации:

n = N_cexp(E_c - E_Fn/kT), (8.18.а)

p = N_vexp(E_Fp - E_v/kT), (8.18.б)

где величины N_c= (2/h³)(2πm_e^*kT)^3/2 и N_v= (2/h³)(2πm_p^*kT)^3/2 - эффективные плотности состояний в этих зонах, E_Fn и E_Fp квазиуровни Ферми.

Увеличение неравновесной концентрации электронов в зоне проводимости эквивалентно смещению квазиуровня Ферми E_Fn вверх, а увеличение концентрации дырок – смещению квазиуровня Ферми E_Fp - вниз.

Энергетические модели полупроводников в равновесных и неравновесных случаях наглядно можно представить в следующих рисунках:

Рис. 8.11. Энергетические модели полупроводников: а) – равновесное состояние, б) и в) - неравновесное состояние.