2 Фотопроводимость полупроводников

Оптическое излучение при взаимодействии с кристаллом полупроводника частично поглощается, частично отражается от его поверхности или проходит через кристалл без поглощения. Доли проходящей, отраженной и поглощенной энергии излучения оценивают для полупроводниковых материалов соответствующими коэффициентами. Различают коэффициент пропускания Тф – отношение мощности Рпр, прошедшей через кристалл полупроводника, к мощности падающего излучения на его поверхность Рпд; коэффициент отражения Rф – отношение отраженной мощности Ротр от поверхности кристалла к мощности падающего излучения Рпд; коэффициент поглощения αф (см-1), численно равный значению обратного расстояния от поверхности полупроводника, на котором первоначальная мощность падающего излучения уменьшается в е раз, где е – основание натурального логарифма.

Коэффициент поглощения αф является постоянной уменьшения мощности излучения по координате x, направленной вглубь полупроводника, по нормали к его поверхности.

В фотометрии мощность излучения определяется через световой поток или поток излучения Ф(лм). Обе величины Р и Ф связаны между собой через характеристику, учитывающую особенности восприятия излучения человеческим глазом на каждой длине излучения λ и называемую спектральной видностью.

Число фотонов, падающих на единицу поверхности полупроводника в 1 с при монохроматическом световом потоке, называется плотностью фотонов N(0).

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны излучения (частоты, энергии кванта) называют спектром поглощения.

Отраженное от поверхности кристалла излучение исключается из процесса взаимодействия кристалла с полупроводником. В фотоэлектрических приборах стремятся снизить долю отраженной энергии, уменьшая коэффициент отражения, и повысить долю поглощенной, увеличивая коэффициент поглощения, так как только поглощенная энергия вызывает генерацию свободных носителей в полупроводниках. Один из способов уменьшения коэффициента отражения заключается в изменении условий отражения электромагнитной волны от поверхности кристалла. Если необходимо уменьшить коэффициент отражения на одной частоте или в спектре частот излучения, на поверхность кристалла наносят один или соответственно несколько слоев просветляющего покрытия. В качестве просветляющих покрытий, например, используют кварцевую пленку, монооксид кремния SiO и др.

3 Механизмы поглощения энергии излучения в полупроводниках

В полупроводниках различают несколько механизмов поглощения энергии излучения – собственное (основное, межзонное, фундаментальное), примесное, экситонное, решеточное, поглощение свободными носителями и др.

При собственном поглощении энергия затрачивается на разрыв валентной связи в атоме и перевод электрона из валентной зоны полупроводника в зону проводимости. Этот процесс генерации свободных носителей обратен межзонной рекомбинации. Для перевода электрона в зону проводимости необходимо, чтобы энергия фотона превышала ширину запрещенной зоны. Спектр собственного поглощения имеет четко выраженную границу, называемую красной границей. Красная граница соответствует минимальной энергии фотона, необходимой для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости (энергии ионизации собственного атома полупроводника).

С уменьшением длины волны излучения в области λгр вначале могут наблюдаться непрямые переходы, при которых требуется меньшая энергия фотона для ионизации атома , а затем с ростом энергии фотона будут только прямые переходы, так как вероятность непрямых переходов уже мала. Граница собственного поглощения большинства полупроводников приходится на видимую или инфракрасную часть оптического диапазона. На величину λгр кроме типа полупроводника влияют температура, внешние поля и др. С увеличением температуры ширина запрещенной зоны большинства полупроводников уменьшается и λгр сдвигается в сторону больших длин волн. С повышением концентрации примесей в полупроводниках энергетические уровни вблизи потолка валентной зоны или дна зоны проводимости заполняются. Поэтому при собственном поглощении, когда энергия фотона должна превышать ширину запрещенной зоны, λгр соответственно сдвигается в сторону меньших длин волн.

При примесном поглощении энергия фотона затрачивается на ионизацию атомов примеси. В полупроводниках донорные примеси расположены вблизи дна зоны проводимости, акцепторные – около потолка валентной зоны. Спектр примесного поглощения смещен относительно спектра собственного в инфракрасную область. Электроны в атомах примесей могут находиться в основном и возбужденном состояниях, и тогда энергия ионизации атомов примесей различна. Поэтому спектр примесного поглощения состоит из нескольких областей. Увеличение температуры способствует термической ионизации атомов примесей. Коэффициент примесного поглощения при этом уменьшается, так как энергия фотонов не поглощается из-за отсутствия неионизированных атомов примеси. Поэтому приемники инфракрасного диапазона, использующие в работе примесное поглощение, как правило охлаждают до низких температур (77, 110 К).

При экситоном поглощении электрон в валентной зоне полупроводника, поглотив энергию фотона, не отрывается от атома, а только переходит в возбужденное состояние, образуя с дыркой связанную кулоновскими силами пару – экситон. Экситон электрически нейтрален, а его энергетическое состояние соответствует уровню энергии в запрещенной зоне полупроводника. Влияние экситона на проводимость полупроводника косвенное. Столкновение экситона с фотоном или фононом может привести к потере им энергии, что эквивалентно возвращению электрона на энергетический уровень в валентной зоне или получению им энергии, и тогда электрон переходит в зону проводимости. В обоих случаях экситон распадается. Спектр экситонного поглощения состоит из узких линий.

Полупроводники, кристаллическая решетка которых содержит атомы различного типа, можно рассматривать как систему электрических диполей. Диполи наиболее интенсивно поглощают энергию излучения на собственных частотах колебаний. Колебания диполей сложны, и поэтому спектр решеточного поглощения состоит из нескольких областей

Поглощение энергии свободными носителями связано с их переходами на уровни внутри зоны. При этом спектр поглощения из-за малого энергетического зазора между уровнями зоны практически непрерывный и смещен в длинноволновую область оптического диапазона. В сложных полупроводниках переходам носителей между долинами соответствуют пики в спектре поглощения.

Кроме упомянутых, в полупроводниках проявляются и другие механизмы поглощения. Но их вклад в фотопроводимость полупроводников мал.