7.3 Фотопроводимость полупроводников

Поглощаясь внутри полупроводников, свет вызывает появление избыточных носителей, увеличивающих общую концентрацию свободных зарядов. Для возбуждения электронов фотон должен обладать энергией , причем

– для собственных полупроводников,

– для примесных полупроводников.

Процесс внутреннего освобождения электронов под действием света наз. внутренним фотоэффектом. Добавочная проводимость, приобретенная полупроводником при облучении светом, называется фотопроводимостью. Основная же проводимость, обусловленная тепловым возбуждением носителей, называется темновой проводимостью.

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

Красную границу фотопроводимости можно определить следующим образом:

– для собственного полупроводника, (7.33)

– для примесных полупроводников. (7.34)

Для чистых полупроводников составляет 1-3 эВ. Для них красная граница фотопроводимости приходится на видимую часть спектра. Для примесных полупроводников красная граница фотопроводимости лежит в инфракрасной области спектра.

Закон изменения интенсивности света при его прохождении через вещество имеет вид:

, (7.35)

где – γ коэффициент поглощения.

На рисунке приведена схематичная кривая зависимости коэффициента поглощения γ от λ для полупроводника, имеющего два примесных уровня и .

Р исунок 7.3 – Вид зависимости для полупроводников с двумя примесными уровнями

Спектр поглощения такого полупроводника имеет три полосы поглощения:

– полосу свободного поглощения (1), отвечающую перебросу электронов под действием света из валентной зоны в зону проводимости;

– две полосы примесного поглощения (2 и 3), отвечающие перебросу электронов с примесных уровней и в зону проводимости .Следует отметить, что примесный фотоэффект возможен лишь в том случае, если примесные уровни и заполнены электронами, т.е. если полупроводник находится при температуре ниже температуры истощения. Стационарная (установившаяся) фотопроводимость полупроводника будет равна:

, (7.36)

где – подвижность носителей заряда.

Возможен также следующий процесс возбуждения электрона под действием света: возбужденный электрон не разрывает связи с дыркой, возникающей в валентной зоне, а образует с ней единую связанную систему. Такая система называется экситоном. Экситон сходен с возбужденным атомом водорода, его энергетический спектр является дискретным. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны являются электрически нейтральными, то их возникновение не приводит к появлению дополнительных носителей заряда, вследствие чего поглощение света не сопровождается увеличением проводимости полупроводника. В настоящее время предполагается, что экситоны возникают и при фотоэлектрическом поглощении света. Возникнув, они некоторое время блуждают по объему полупроводника. При столкновении с фононами, примесными центрами экситоны или рекомбинируют, или происходит "разрыв" пары. В первом случае энергия возбуждения передается кристаллической решетке или излучается в виде квантов света (люминесценция). Во втором случае образуется пара носителей – электрон и дырка, которые и обуславливают фотопроводимость полупроводника.

Зависимость фотопроводимости полупроводников от освещенности используется в фотосопротивлениях.