3. 5. Фотоэлектрические свойства полупроводников

Физический процесс внутреннего освобождения электронов фотонами, т.е. квантами электромагнитного излучения, называется внутренним фотоэффектом, а добавочная электропроводность, обусловленная этим процессом, называется фотопроводностью.

На энергетической диаграмме полупроводника (рис. 3.2, б) с донорной примесью W_пр – энергия активации примеси, а W_g – ширина запрещенной зоны полупроводника. Чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону примесную, или из примесной в зону проводимости, нужно затратить энергию.

Энергия фотона

, (3.14)

где h = 6,6∙10^-34 – постоянная Планка, Дж∙с;

ν – частота электромагнитного излучения, 1/с;

с ≈ 3∙10⁸ – скорость света в вакууме, м/с;

–длина волны электромагнитного излучения, м.

Фотоэлектрические свойства полупроводников рассмотрим на примере фоторезисторов и фотоэлементов.

3.5.1. Фоторезистивный эффект

Если энергия фотона W_Ф, попадающего на поверхность полупроводника, больше энергии примеси W_Ф ≥ W_пр – возникает примесная фотопроводимость; если W_Ф больше ширины запрещенной зоны полупроводника W_Ф > W_g – возникает собственная фотопроводимость; если полупроводник не подвергается облучению – он обладает темновой электропроводимостью – γ_т.

Каждый фотон, воздействующий на полупроводник, при условии, например, что W_Ф ≥ W_g, способен перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости и создать пару носителей – электрон и дырку.

Когда электронно-дырочных пар становится много, увеличивается вероятность их рекомбинации, т.е. возвращение электрона на свое место в валентную зону. Поэтому при увеличении интенсивности светового потока F_Ф рост фотопроводимости будет замедляться, как показано на рис. 3.8, на котором представлена интегральная характеристика полупроводникового фотосопротивления.

На следующем рисунке (рис. 3.9.) приведены спектральные характеристики фотосопротивлений – зависимость чувствительности полупроводника – в %, от длины волны – λ падающего на него лучистого потока. Мы видим, что максимальная чувствительность наблюдается в сравнительно узком диапазоне длин волн излучения, например, для ФС1 и для ФС2.

Рис. 3. 8. Интегральная характеристика фотосопротивления

Рисунок 3. 9. Сравнительные характеристики фотосопротивления

Объяснить это можно следующим образом:

а) при больших длинах волн энергии фотона недостаточно для перевода электрона в зону проводимости – чувствительность мала;

б) по мере уменьшения λ энергия фотона растет, и увеличивается чувствительность;

в) когда частота излучения совпадает с собственной частотой материала полупроводника – наступает явление резонанса, чувствительность довольно интенсивно возрастает;

г) с дальнейшим ростом частоты излучения чувствительность начинает падать, так как увеличивается коэффициент поглощения k излучения в поверхностном слое; увеличивается рекомбинация на поверхности и чувствительность становится низкой (рис. 3.9).

Каждый материал имеет свой спектр поглощения и свой спектр излучения, а также свою собственную частоту колебаний. Для каждого вещества известны эти частотные спектры, они сведены в таблицы – полосы. По спектральной характеристике можно определить исследуемый материал, а по всплескам (пикам) на основной спектральной характеристике можно определить какие примеси содержит данное вещество в своем составе (спектральный анализ).

На описанных фотосвойствах полупроводниковых материалов основана работа полупроводниковых фоторезисторов, фотоэлементов и др. приборов. Чувствительность их может лежать в инфракрасной области спектра (частота ≤ 3,5∙10¹⁴ с^-1), видимой части (частота от 4∙10¹⁴ до 8∙10¹¹ с^-1), ультрафиолетовой части ( > 8∙10¹¹ с^-1).