ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Падающий на вещество поток света может испытывать отражение, поглощение или проходить насквозь.

Если поглощенный свет приводит к такому увеличению энергии электронов, что они покидают объем, занимаемый веществом, говорят о внешнем фотоэффекте. Если при освещении изменяется энергетическое состояние носителей заряда внутри твердого тела, то мы имеем дело с внутренним фотоэффектом. При этом добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными излучением, называется фотопроводимостью.

При внутреннем фотоэффекте первичным актом является поглощение фотона. Поэтому процесс образования свободных носителей заряда под воздействием излучения будет проходить по-разному в зависимости от особенностей процесса поглощения света. К тому же поглощенный свет не всегда вызывает фотоэффект.

Существует несколько видов поглощения света.

а) собственное поглощение.

Этот вид поглощения имеет место в том случае, когда оптическое возбуждение электронов происходит из валентной зоны в зону проводимости. Для полупроводника с прямыми долинами при вертикальных переходах энергия фотона hn должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, то есть

 

hn E_g.

 

Для сильно легированного полупроводника n-типа когда уровень Ферми расположен выше края зоны проводимости на величину x_n, нижняя граница фотопроводимости будет соответствовать

 

hn = E_g + x_n .

 

В сильно легированном полупроводнике p-типа уровень Ферми лежит на величину x_p ниже края валентной зоны, поэтому

 

hn = E_g + x_p.

 

При больших энергиях фотонов поглощение в фундаментальной области ведет к увеличению фотопроводимости за счет роста коэффициента поглощения a. В случае собственного поглощения a достигает наибольшей величины – (10⁶ см^-1). Вместе с тем такое поглощение увеличивает концентрацию носителей заряда вблизи поверхности полупроводника или диэлектрика, которые имеют меньшее время жизни, чем носители заряда в объеме.

б) примесное поглощение.

Такое поглощение при наличии в запрещенной зоне полупроводника локальных уровней примеси может вызвать переходы электронов между уровнями примеси и зонами. Фотопроводимость, обусловленная такими переходами, называется примесной фотопроводимостью. Для реализации таких переходов нужна меньшая энергия кванта, чем для реализации переходов из валентной зоны в зону проводимости. Поэтому примесное поглощение имеет место при больших длинах волн падающего света.

в) экситонное поглощение.

При экситонном поглощении света имеет место создание связанной пары электрон-дырка, которая является электрически нейтральным образованием. Поэтому поглощение света, связанное с образованием экситонов, первоначально не ведет к возникновению свободных носителей заряда. Однако в реальных кристаллических структурах экситоны имеют значительно большую вероятность диссоциировать безызлучательно (с образованием электронов и дырок), чем рекомбинировать с испусканием кванта света. Таким образом, образование экситонов в конечном итоге ведет к возникновению свободных носителей заряда, а следовательно, и фототока. Экситонное поглощение, характеризующееся узкими полосами поглощения, определяет и узкие полосы фототока. При этом спектр фототока в области экситонного поглощения будет зависеть от состояния поверхности. Состояние поверхности полупроводника можно легко изменить путем воздействия на нее (механическое, химическое и т.д.). Таким образом можно изменить характер наблюдаемого спектра фототока, обусловленного экситонным поглощением.

г) поглощение свободными носителями заряда.

Поглощение света свободными носителями заряда сопровождается увеличением их энергии. При этом, в отличие от рассмотренных выше трех видов поглощения, число свободных носителей не изменяется. Но вместе с тем изменяется подвижность носителей заряда.

д) поглощение кристаллической решеткой.

В результате такого поглощения увеличивается амплитуда колебаний узлов решетки. В этом случае не изменяется ни концентрация носителей заряда, ни их подвижность. Поэтому поглощение света кристаллической решеткой не является фотоактивным.

Поглощение света свободными носителями заряда и кристаллической решеткой не могут непосредственно вызвать изменение концентрации носителей заряда. Однако возрастание концентрации носителей заряда в этих случаях может происходить в результате вторичных эффектов, когда поглощение света значительно увеличивает кинетическую энергию свободных носителей заряда или увеличивает концентрацию фононов, которые затем отдают свою энергию на возбуждение носителей заряда.