Поглощение света в полупроводниках

ФОТОРЕЗИСТИВНЫЙ ЭФФЕКТ

ЛЕКЦИЯ 13. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ

Внутренний фотоэффект – это процесс ионизации атомов полупроводника под действием света, приводящий к образованию добавочных, неравновесных носителей заряда. Добавочную проводимость, обусловленную внутренним фотоэффектом, называют фотопроводимостью.

На рис. 1 изображены уровни энергии дна зоны проводимости W_c и верха валентной зоны W_v в собственном полупроводнике. Ширина запрещенной зоны ΔW = W_c − W_v. Если энергия кванта света hν ≥ ∆W, где h = 6.626∙10^–34 Дж∙с – постоянная Планка, ν – частота, то возможно собственное поглощение, при котором электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости. В результате собственного поглощения происходит образование пары свободных носителей заряда – электрона и дырки.

Существуют правила отбора при фотоэлектрических переходах из одной энергетической зоны в другую. По закону сохранения импульса, свободный электрон и дырка должны иметь в момент образования равные импульсы. Импульсом поглощаемого фотона p = h/λ ввиду его малости можно пренебречь.

Энергия и импульс свободного электрона измеряются вверх от нижнего уровня дна зоны проводимости W_c. Энергия и импульс дырки измеряются вниз от верхнего уровня валентной зоны W_v. Таким образом, при образовании пары электрон-дырка, свободный электрон и дырка должны занимать уровни, симметричные относительно соответствующих границ зон (рис. 1).

Энергия кванта, необходимая для перехода с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости hν_порог = ΔW, определяет пороговую длину волны (красную границу) фотоэффекта λ_порог = c/ν_порог = hc/ΔW. При поглощении фотонов с λ < λ_порог происходит переход электронов с более низких уровней валентной зоны на более высокие уровни зоны проводимости.

При длинах волн, больших граничной, энергия фотонов недостаточна для образования электроно-дырочных пар. Однако оптическое поглощение все же происходит, поскольку фотоны могут поглощаться имеющимися в полупроводнике собственными носителями заряда – электронами и дырками. В полупроводниках с большой концентрацией примесей и при очень низких температурах (при которых примеси термически не ионизированы) наблюдается поглощение при больших длинах волн, соответствующих энергиям ионизации донорных и акцепторных примесей.