Коэффициент усиления фотопроводимости.

Параметр k называют коэффициентом усиления фотопроводимости. При решении практических задач необходимо стремиться к тому, чтобы k было максимальным. Зависимость величины фототока от приложенного поля обычно имеет вид, показанный на рис. 5. Величину электрического поля E₀, при котором достигается предельное значение коэффициента усиления фотопроводимости, можно найти из условия: , ( ), что дает следующее ее значение:

или .

Увеличивать напряжение V на образце выше V₀ нецелесообразно, т.к. при V = V₀ через контакт из образца вытягиваются оба неравновесных носителя, так что k достигает максимального значения k_max (около двух, если рассматривается биполярная фотопроводимость).

Рисунок 5. Зависимость фототока от напряженности проложенного поля.

2.3 Квазиуровни Ферми в полупроводнике

Существует достаточно простой и наглядный способ оценки величины фотоэдс, возникающей в полупроводниковом приборе при его освещении. Для его рассмотрения обратимся к оценке вероятности заполнения уровней энергии. В термодинамически равновесном состоянии (например, при отсутствии освещения полупроводника) вычислить концентрации электронов и дырок в зонах можно, если воспользоваться распределением Ферми-Дирака. При этом необходимо знать положение уровня Ферми . Если концентрация электронов в полупроводнике (например, за счет его легирования) будет увеличиваться, то уровень Ферми, оставаясь в запрещенной зоне, будет смещаться к дну зоны проводимости (см. рис. 6, а). В случае увеличения концентрации дырок он смещается к потолку валентной зоны.

Рисунок 6. Квазиуровень Ферми.

Поэтому уровни энергий, лежащие вблизи уровня Ферми, при изменении его энергетического положения меняют вероятность заполнения электронами. В нашем случае необходимо знать концентрации носителей в валентной зоне и зоне проводимости в неравновесных условиях, например, при освещении полупроводника светом.

Освещение полупроводника увеличивает концентрацию электронов, и потому в неравновесных условиях уровень Ферми должен сместиться вверх относительно своего равновесного положения. Одновременно с освещением увеличивается и концентрация дырок и уровень Ферми должен переместиться вниз (см. рис. 6, б), что противоречит предыдущему предположению. Следовательно, введение в рассмотрение единого уровня Ферми в этих условия невозможно. Поэтому распределение электронов и дырок по состояниям в неравновесных условиях нельзя описать равновесной функцией Ферми-Дирака с единственным уровнем Ферми.

Появление в зонах неравновесных электронов и дырок можно описать как расщепление первоначального уровня Ферми на два квазиуровня и , каждый из которых смещается по направлению к своей зоне: - к зоне проводимости, а - к валентной зоне.

Можно показать, что разность квазиуровней Ферми на концах полупроводника непосредственно связана с разностью потенциалов на них. Следовательно, разность квазиуровней Ферми для электронов и для дырок есть та величина фотоэдс, которую можно напрямую измерить вольтметром на концах полупроводникового образца при его освещении.