Фотопроводимость и поглощение света полупроводниками

Источником энергии, способствующим образованию свободных носителей заряда в полупроводниках, кроме теплового действия, могут быть и другие процессы: столкновение с быстрыми электронами, α - частицами, ионизация под действием света (фоторезистивный эффект) или других излучений (рентгеновских, γ-лучей), ионизация под действием сильного поля и др. Так как свободные носители в этом случае возникают за счет непосредственного поглощения энергии, то тепловая энергия решетки практически остается неизменной. При этом нарушается тепловое равновесие между решеткой и свободными носителями заряда. Электроны или дырки проводимости (свободные носители заряда), не находящиеся в термодинамическом равновесии (как по концентрации, так и по энергетическому распределению), называются неравновесными носителями заряда.

Так как число неравновесных носителей заряда обычно невелико и мала запасенная ими избыточная энергия по сравнению с энергией решетки, то наложение и снятие внешнего возбуждения не влияет на концентрацию равновесных носителей заряда и полная концентрация носителей заряда n или p равна простой сумме концентраций равновесных (n₀, p₀) и неравновесных (∆n, ∆p) носителей заряда:

(1)

(2)

Возникновение неравновесных носителей заряда приводит к изменению проводимости полупроводника:

(3)

где σ_Т- темновая проводимость;

Dσ– неравновесная проводимость (фотопроводимость):

(4)

Изменение электрического сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием электромагнитного излучения и не связанное с его нагреванием, называется фоторезистивным эффектом, или внутренним фотоэлектрическим эффектом.

Энергия неравновесных носителей заряда в результате взаимодействия с фононами и дефектами решетки снижается до энергии равновесных носителей, поэтому можно считать, что генерация неравновесных носителей заряда в полупроводниках приводит лишь к изменению концентрации свободных носителей, не изменяя их подвижности. Однако при поглощении света свободными носителями заряда может быть и изменение их подвижности в результате следующих причин:

1) переброса дырок из одной зоны в другую;

2) переброса электронов из одной зоны в другую;

3) разогрева электронов вследствие рекомбинационного излучениия.

При возникновении неравновесных ноителей заряда изменяется полная концентрация носителей, а следовательно, и положение уровня Ферми.

(5)

(6)

Энергитические уровни F_n^* и F_p^* называют квазиуровнями Ферми для электронов и дырок соответственно, т.е. F_n^* и F_p^* - химические потенциалы электронного газа в зоне проводимости и дырочного газа в валентной зоне при отсутствии термодинамического равновесия. В отсутствие термодинамического равновесия квазиуровни Ферми играют ту же роль, что и уровни Ферми в условиях равновесия, при этом F_n^*≠ F_p^*. В условиях равновесия при n=n₀ и p=p₀ квазиуровни Ферми равны уровню Ферми F.

При поглощении квантов света возможны три типа переходов, приводящих к появлению фотопроводимости ( рис.1):

1) переход I соответствует собственному поглощению света (основными атомами кристалла), что приводит к образованию свободного электрона и свободной дырки на каждый поглощенный фотон (собственная фотопроводимость, Dn =Dp);

2) переход 4 соответствует поглощению света локальными несовершенствами в кристалле (донорами), при этом на каждый поглощенный фотон образуется свободный электрон и дырка, связанная с соответствующим центром;

3) переход 5 соответствует случаю, когда каждый поглощенный фотон возбуждает на незанятом локальном уровне (акцептор) электрон из валентной зоны, в результате чего образуется свободная дырка и связанный электрон.

При фотоионизации локальных состояний типа примесных атомов (переходы 4 и 5 на рис.1) возрастает концентрация носителей заряда только одного типа (примесная фотопроводимость). При этом возможны два случая: неравновесные носители заряда являются основными или неосновными.

Рис.1. Возможные переходы электронов в полупроводнике при поглощении квантов света: 1-переход из в-зоны в с-зону; 2,3-переходы внутри зон; 4,5-переходы с примесных центров; 6-переход электронов из в-зоны в донорный уровень примеси; 7-переход электрона из в-зоны на экситонный уровень

А) б)

Рис.2. Схема возможных путей прилипания и захвата (а),

рекомбинация носителей заряда (б)

Если неравновесные носители заряда являются неосновными, а их концентрация превосходит темновую концентрацию основных носителей заряда, то меняется тип проводимости полупроводника при его освещении.

Для возбуждения собственных атомов полупроводника (переход 1 на рис.1) фотон должен обладать энергией и hυ₁ ≥ ∆E, для возбуждения примесных атомов (переходы 4 и 5 на рис.1) hυ₄ ≥ ∆E_д , hυ₅ ≥ ∆E_а(∆E, ∆E_д, ∆E_а - соответственно энергия активации собственных, донорных, акцепторных атомов; υ₁, υ₄, υ₅ – соответствующие частоты поглощаемого света).

Максимальная длина волны (краевая граница фотопроводимости), при которой свет является еще фотоэлектрически активным, т.е. создает свободные носители заряда, определяется соотношениями:

(7)

для фотопроводимости

(8)

Поглощение света может и не приводить непосредственно к появлению свободных носителей заряда в следующих случаях:

1) экситонное поглощение (рис.1, переход 7) приводит к созданию связанной пары электрон-дырка, являющейся электрически нейтральным образованием. Однако, если экситон (связанная пара электрон-дырка) при движении в решетке диссоциирует в результате поглощения дополнительной энергии, то каждый экситон приводит к появлению двух свободных носителей заряда: электрона и дырки. Если же экситон рекомбинирует, то экситонное поглощение не приводит к увеличению проводимости;

2) поглощение света свободными носителями заряда (рис.1, переходы 2 и 3) не приводит к изменению их концентрации, но при определенных условиях может изменяться их подвижность и, следовательно, проводимость;

3) колебания решетки могут привести к возрастанию концентрации носителей заряда лишь в результате вторичного эффекта – поглощение света увеличивает концентрацию фононов, которые отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.

Энергетическая схема, приведенная на рис.1, и соотношения (7),(8) не учитывают свойств, необходимых для полного описания электронных переходов в полупроводниках при поглощении квантов света: строения энергетических зон, квантомеханических правил отбора не только по энергиям (как и в случае тепловой ионизации), но и правилам отбора по импульсам.