Теоретическое введение. Внутренний фотоэффект. При облучении светом полупроводников и диэлектриков наблюдается уменьшение их электрического сопротивления

Внутренний фотоэффект. При облучении светом полупроводников и диэлектриков наблюдается уменьшение их электрического сопротивления, вызванное освобождением электронов внутри слоя вещества, в котором поглощается излучение. Возникающая при этом дополнительная электропроводность носит название фотопроводимость, а процесс генерации свободных носителей заряда под действием света называется внутренним фотоэффектом. Рассмотрим механизм этого явления на примере собственного полупроводника (рисунок 73.1). Освобождение электронов означает их переход из валентной зоны в зону проводимости; такой переход под действием света возможен, если энергия световых квантов W=hυ превышает ширину запрещенной зоны (однако эта энергия не должна превосходить интервала между верхним краем зоны проводимости и нижним краем валентной зоны).

Рисунок 73.1

Одновременно с переходом электрона из заполненной зоны в свободную возникает одна дырка в валентной зоне. Следовательно, один поглощенный фотон с энергией hυ≥ΔW освобождает пару электронов-дырка; количество освобожденных пар равно числу поглощенных фотонов. Однако было бы неверным считать, что возникшие под действием излучения пары и обуславливают фотопроводимость. Опытным путем установлено, что у большинства собственных полупроводников фотоносителями являются не электроны и дырки одновременно, а те носители заряда, у которых в данных условиях больше время жизни, т.е. время, в течение которого они находятся в свободном состоянии. В одних случаях это - электроны, а в других - дырки. Освобожденные светом носители заряда называют неравновесными (по сравнению с затемненным полупроводником, у которого при некоторой постоянной температуре определенному числу электронов в свободной зоне соответствует точно такое же число дырок в заполненной зоне). Итак, освобожденные светом неравновесные носители заряда в течение очень короткого времени (порядка секунд) находятся в свободном состоянии. В этот момент они блуждают в межатомных промежутках и, при наличии разности потенциалов между двумя точками полупроводника, перемещаются преимущественно в одном направлении, образуя таким образом, электрический ток. Затем фотоносители или рекомбинируют, или примыкают к каким-либо атомам, потерявшим свои электроны. Однако при непрерывном освещении полупроводника появляются все новые и новые фотоносители, но в то же время какое-то число их возвращается назад. В результате устанавливается динамическое равновесие, характерное тем, что число возникающих фотоносителей становится равным числу фотоносителей, возвращающихся обратно. Несмотря на которое время жизни носители обеспечивают возникновении фотопроводимости в веществе, следовательно, они ведут себя таким же образом, как и обычные свободные носители, возникающие в полупроводнике за счет теплового механизма возбуждения.

Рассмотренный нами пример относится к случаю собственной фотопроводимости. У примесных полупроводников, кроме указанного типа фотопроводимости, существует еще примесная фотопроводимость, обусловленная возбуждением примесных носителей заряда (рисунок 73.2).

а) б)

Рисунок 73.2

Примесный фотоэффект возможен, очевидно лишь в том случае, если примесный уровень W_пр заполнен электронам, т.е. если полупроводник находится при температуре ниже температуры истощения примеси. Поэтому для наблюдения примесной фотопроводимости полупроводники необходимо охлаждать до низких температур.

Максимальную длину волны света λо ( или минимальную частоту υ₀ при которой в данном полупроводнике возникает фотопроводимость) называют красной границей фотоэффекта. Для собственных полупроводников:

где с – скорость света; h – постоянная Планка; W_q – ширина запрещенной зоны (ΔW).

Эффективность внутреннего фотоэффекта характеризуется величиной квантового выхода, который определяется как отношение числа фотонов к общему числу поглощенных веществом фотонов :

Если бы каждый фотон вызывал появление одного фотоэлектрона, величина квантового выхода была бы . Однако для большинства полупроводниковых материалов . Это объясняется тем, что только часть лучистого потока оказывается фотоактивной, т.е. способной генерировать фотоносители. В то время как остальная часть рассеивает свою энергию в кристаллической решетке, повышая интенсивность теплового движения составляющих ее частиц, либо поглощается свободными носителями.