Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

1.1. Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках

Поглощение света. Вследствие отражения и поглощения света полупроводником интенсивность падающего на него монохроматического излучения интенсивностью I₀ уменьшается до некоторой величины I. В соответствии с законом Ламберта – Бугера [2]:

                                 ,                                   (4.16)

где R – коэффициент отражения, x – расстояние от поверхности полупроводника вдоль направления луча (в объеме) до данной точки; a – коэффициент поглощения.

Величина a^-1 равна толщине слоя вещества, при прохождении через который интенсивность света уменьшается в e раз (е – основание натурального логарифма).

Поглощение полупроводником энергии электромагнитного излучения может быть связано с различными физическими процессами: нарушением ковалентных связей между атомами материала с переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости; ионизацией примесных атомов и возникновением дополнительных свободных электронов или дырок; изменением колебательной энергии атомов решетки; образованием экситонов и др.

Если поглощение света полупроводником обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости за счет энергии квантов излучения, то поглощение называют собственным; если возникновением свободных носителей за счет ионизации примесных атомов (доноров или акцепторов) – примесным.

У ряда полупроводников за счет поглощения кванта света возможно такое возбуждение электрона валентной зоны, которое не сопровождается его переходом в зону проводимости, а образуется связанная система  электрон–дырка, перемещающаяся в пределах кристалла как единое целое. Эту систему называют экситоном. Оптическое поглощение полупроводника, обусловленное взаимодействием излучения с колебательным движением кристаллической решетки, называют решеточным [2, 5]. Независимо от механизма поглощения квантов излучения процесс подчиняется закону сохранения энергии.

Фотопроводимость полупроводников – явление, всегда сопровождающее процесс поглощения энергии электромагнитного излучения. При освещении полупроводника концентрация свободных носителей заряда в нем может возрасти за счет носителей, возбужденных поглощенными квантами света. Такими носителями могут быть как собственные электроны и дырки, так и носители, перешедшие в свободное состояние вследствие ионизации примесных атомов.

Освещение полупроводника светом в течение достаточно длительного  времени не приводит к бесконечному росту концентрации избыточных (по сравнению с равновесными) носителей заряда, так как по мере роста концентрации свободных носителей растет вероятность их рекомбинации.  Наступает момент, когда рекомбинация уравновешивает процесс генерации свободных носителей и устанавливается равновесное состояние полупроводника с более высокой проводимостью s_равн, чем без освещения (s₀).

Рекомендуемые материалы

Рис. 4.12. Изменение фотопроводимости полупроводника во времени при освещении его прямоугольным импульсом света

Информация в лекции "18 Вычет аналитической функции в изолированной особой точке" поможет Вам.

Изложенное иллюстрируется рис. 4.12. Изменение фотопроводимости при освещении полупроводника импульсом прямоугольной формы происходит в соответствии с изменением концентрации свободных носителей заряда.

Спектральная зависимость фотопроводимости соответствует спектру поглощения полупроводника, т.е. зависимости коэффициента поглощения a от длины волны излучения l (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Спектр поглощения полупроводника и спектральное распределение фоточувствительности: 1 – собственное поглощение; 2 – примесное поглощение; 3,4 – фототок

При более длинноволновом излучении, когда энергия квантов света Е_Ф невелика (Е_ф=hn, где h – постоянная Планка, n – частота), при l_пр наступает примесное поглощение и возникает фотопроводимость (фототок) за счет ионизации примесей (кривые 2, 4, рис. 4.13). При меньшей длине волны l_i, т.е. большей энергии квантов света, соизмеримой с шириной запрещенной зоны, полупроводника DЕ₀, возникают собственное (фундаментальное) поглощение и фотопроводимость (фототок) (кривые 1,3, рис. 4.13). Такая длина волны l_i называется краем собственного (фундаментального) поглощения полупроводника. Коротковолновый спад фотопроводимости (кривая 3, рис. 4.13) объясняется высоким коэффициентом поглощения (кривая 1, рис. 4.13), т.е. практически весь свет поглощается в очень тонком поверхностном слое материала.

Как указано выше, фотопроводимость, вызванная генерацией свободных носителей, всегда сопровождается поглощением энергии электромагнитного излучения. В процессе рекомбинации, напротив, энергия выделяется. Выделяющаяся энергия может поглощаться кристаллической решеткой (безызлучательная  рекомбинация) либо излучаться в виде кванта света (излучательная рекомбинация). Последнее явление нашло применение в светодиодах, используемых в приборостроении в качестве световых индикаторов.