78) Примесная и собственная фотопроводимость.

(фоторезистивный эффект) - изменение электропроводности среды, обусловленное действием эл.-магн. излучения. Ярко выражена в полупроводниках и диэлектриках. Впервые наблюдалась У. Смитом (W. Smith, 1873) в аморфном Si (см. Аморфные и стеклообразные полупроводники). Ф. возникает из-за изменения либо концентрации носителей заряда (концентрационная Ф.), либо их подвижности под действием излучения (см. Подвижность носителей заряда). В зависимости от механизма поглощения излучения различают Ф. собственную, примесную и внутризонную.

Собственная и примесная фотопроводимости. В основе собств. и примесной Ф. лежит внутр. фотоэффект, т. е. либо оптич. генерация пар электрон - дырка (при собственной Ф.), либо фотоотрыв носителя заряда от заряж. примесного центра (при примесной Ф.). Генерируемые при внутр. фотоэффекте свободные носители заряда наз. ф от о н о с и т е л я м и.

Изменение уд. электропроводности а однородного полупроводника под действием излучения равно

где Dn, Dp - изменения концентраций электронов проводимости ( п )и дырок (p), m_n,m_p -их подвижности. Величины Dn,Dp определяются квантовым выходом Y внутр. фотоэффекта, т. е. числом генерируемых электронно-дырочных пар (при собств. Ф.) или числом генерируемых носителей (при примесной Ф.) в расчёте на один поглощённый фотон, а также временем жизни фотоносителей (до их рекомбинации или захвата примесными центрами). Если Ф. (собственная) определяется подвижными фотоносителями обоих знаков, её называют биполярной. В тех случаях, когда хотя и генерируются фотоносители обоих знаков, но фотоносители одного типа имеют ничтожные подвижность и время жизни, а также при примесной Ф., когда генерируются фотоносители только одного знака, Ф. наз. монополярной.

Так как импульс фотона, как правило, пренебрежимо мал по сравнению с импульсом электрона, требование одноврем. выполнения законов сохранения энергии и импульса приводит к тому, что переходы электронов с участием только одного фотона оказываются возможными лишь между состояниями, в к-рых импульс электрона практически один и тот же ("прямые", или "вертикальные", переходы). Однако этот запрет может нарушаться за счёт взаимодействия электронов или дырок с фононами. Последнее приводит к "непрямым" переходам с изменением как энергии, так и импульса электрона и испусканием или поглощением фонона. Исследования зависимости Ф. от энергии фотонов hw позволяют по их мин. энергии, ещё вызывающей Ф., определять энергетич. щели между уровнями или зонами (см. Полупроводники).

Внутризонная фотопроводимость связана с изменением подвижности носителей заряда при их перераспределении по энергетич. состояниям в результате поглощения излучения. К процессам, вызывающим внутризонную Ф., относят: оптич. переходы носителей заряда внутри одной зоны, к-рые возможны благодаря рассеянию носителей на примесях и фононах (см. Рассеяние носителей заряда в твёрдом теле); прямые оптич. переходы между подзонами дырочной зоны в полупроводниках р- типа ("лёгкие" и "тяжёлые" дырки, см. Зонная теория); переходы между подзонами размерного квантования в полупроводниковых структурах (см. Квантовые размерные эффекты). Внутри-зонная Ф. впервые наблюдалась Моссом и Хокинзом (1960) в p-Ge (переходы между подзонами дырок) и Ролли-ном (1961) в n-InSb (внутризонное поглощение).

При внутризонной Ф. может изменяться подвижность как тех носителей, к-рые непосредственно поглотили излучение, так и всех носителей заряда из-за перераспределения поглощённой энергии, обусловленного межэлектронным рассеянием. Как правило, определяющую роль играет второй процесс. Если время перераспределения энергии мало по сравнению с временем релаксации энергии носителей т, то Ф. можно рассматривать как результат изменения темп-ры газа носителей Т _н при поглощении излучения. В этом случае Знак dm/dT _н и Ds может быть как положительным, так и отрицательным. Знак Ds определяется также знаком изменения электронной темп-ры dT_e. Как правило, dT_e>0, однако возможно охлаждение газа при поглощении света. Охлаждение наблюдается, напр., в p-Ge при оптич. переходе дырок из подзоны "тяжёлых" дырок в подзону "лёгких" и быстром рассеянии энергии "лёгких" дырок на оптич. фононах. С изменением энергии фотонов знак Ds изменяется и внутризонная Ф. осциллирует, изменяя знак.

"Остывание" фотоносителей. Если генерируемые светом носители имеют энергии , превышающие ширину запрещённой зоны полупроводника, то такие т. н. горячие носители могут терять энергию на создание дополнит. электронно-дырочных пар; в результате Y>1 (рис. 1).

Рис. 1. Зависимость квантового выхода Y в Ge от энергии фотонов.

Длина пробега носителей при этом зависит от и меняется от неск. нм при до 1 нм при и до неск. десятков нм при кэВ (время пробега t~10-14 c). При осн. механизм потерь энергии - рассеяние на фононах. При , превышающих энергию оптич. фонона, носители теряют энергию путём последоват. испускания оптич. фононов. При этом характерное время их пробега t опт~10-13 c. После того как остаточная энергия носителей оказывается меньше , дальнейшее их "остывание" происходит путём испускания акустич. фононов или за счёт межэлектронных столкновений. Соответствующие времена релаксации энергии на неск. порядков больше т опт (см. Горячие электроны).

Остаточная энергия носителей, быстро испустивших максимально возможное число (n _макс) оптич. фононов, равна Она изменяется от 0 до в зависимости от (2p/h)w. В слаболегированных полупроводниках эфф. подвижность горячих фотоносителей зависит от , поэтому Ds осциллирует как ф-ция с частотой W. В сильнолегированных полупроводниках энергия передаётся сначала не акустич. фононам, а газу носителей; в зависимости от величины переданной энергии изменяется ср. подвижность носителей. Это также приводит к осцилляциям Ds с частотой w.