7.3 Фотопровідність напівпровідників

Поглинаючись всередині напівпровідників, світло викликає появу надлишкових носіїв, що збільшують загальну концентрацію вільних зарядів. Для порушення електронів фотон повинен мати енергію , причому

– для власних напівпровідників,

– для домішкових напівпровідників.

Процес внутрішнього звільнення електронів під дією світла зв. внутрішнім фотоефектом. Додаткова провідність, придбана напівпровідником при опроміненні світлом, називається фотопровідність. Основна ж провідність, обумовлена тепловим збудженням носіїв, називається темновою провідністю.

Відповідно до того, що під дією світла надлишкові носії заряду можуть виникати як внаслідок порушення власних, так і домішкових носіїв заряду, розрізняють власну і домішкову фотопровідності.

Червоний кордон фотопровідності можна визначити наступним чином :

– для власного напівпровідника, (7.33)

– для домішкових напівпровідників. (7.34)

Для чистих напівпровідників складає 1-3 еВ. Для них червона межа фотопровідності припадає на видиму частину спектру. Для домішкових напівпровідників червона межа фотопровідності лежить в інфрачервоній області спектра.

Закон зміни інтенсивності світла при його проходженні через речовину має вигляд:

, (7.35)

де – γ коефіцієнт поглинання.

Н а рисунку наведено схематичну криву залежності коефіцієнта поглинання γ від λ для напівпровідника, що має два домішкових рівня і .

Рисунок 7.3 – Вид залежності для напівпровідників з двома домішковими рівнями

Спектр поглинання такого напівпровідника має три смуги поглинання:

– смугу вільного поглинання (1), що відповідає перекиданню електронів під дією світла з валентної зони в зону провідності;

– дві смуги домішкового поглинання (2 і 3), що відповідають перекиданню електронів з домішкових рівнів і в зону провідності. Слід зазначити, що домішковий фотоефект можливий лише в тому випадку, якщо домішкові рівні і заповнені електронами, тобто якщо напівпровідник знаходиться при температурі нижче температури виснаження. Стаціонарна (стабільна) фотопровідність напівпровідника буде дорівнює:

, (7.36)

де – рухливість носіїв заряду.

Можливий також наступний процес збудження електрона під дією світла: збуджений електрон не розриває зв'язки з діркою, що виникає у валентній зоні, а утворює з нею єдину пов'язану систему. Така система називається екситоном. Екситон подібен до порушеного атома водню, його енергетичний спектр є дискретним. Рівні енергії екситонів розташовуються біля дна зони провідності. Так як екситони є електрично нейтральними, то їх виникнення не призводить до появи додаткових носіїв заряду, внаслідок чого поглинання світла не супроводжується збільшенням провідності напівпровідника. В даний час передбачається, що екситони виникають і при фотоелектричному поглинанні світла. Виникнувши, вони деякий час блукають по об’єму напівпровідника. При зіткненні з фононами, домішковими центрами, екситони або рекомбінують, або відбувається "розрив" пари. У першому випадку енергія збудження передається кристалічній решітці або випромінюється у вигляді квантів світла (люмінесценція). У другому випадку утворюється пара носіїв – електрон і дірка, які і обумовлюють фотопровідність напівпровідника.

Залежність фотопровідності напівпровідників від освітленості використовується в фотоопорах.