Фотоэлектрические явления в полупроводниках
Литература:
http://dssp.petrsu.ru/sources.shtml
1
Фотопроводимость
полупроводников
Добавочная проводимость, приобретаемая полупроводником при облучении светом называется фотопроводимостью. Эффект фото проводимости часто называют внутренним фотоэффектом или фоторезистивным эффектом, поскольку в результате освещения электросопротивление полупроводника падает.
На основе фоторезистивного эффекта созданы полупроводниковые радиокомпоненты, предназначенные для регистрации светового излучения по величине фотопроводимости,
3называемые фоторезисторами.
|
|
Чувствительный элемент |
фоторе |
|
|
|
зистора представляет собой |
пленку |
|
1 |
2 |
монокристаллического или поликриста- |
||
ллического полупроводника с |
двумя |
|||
|
|
|||
омическими контактами, нанесенную на диэлектическое основание (рис.1)
2
Удельная фотопроводимость
Wc 
h
Wv
Рис. 2. Иллюстрация
процесса создания фотопроводимости в полупроводнике
Значение удельной фотопроводимости можно определить из выражения:
∆σф=q (∆n μn+ ∆p μ p), |
(1) |
где q -заряд электрона; |
μn, μp - |
подвижности электронов и дырок в полупроводнике, соответственно; ∆n=nф-nо, ∆p=pф-pо - избыточные (неравно весные) концентрации электронов и дырок в полупроводнике, возбужденном светом; nо, pо - равновесные концентрации сво-
бодных носителей заряда; nф, pф - общие концентрация электронов и дырок.
3
Фототок
Под действием напряжения, приложенного к фоточувствительному полупроводниковому элементу, созданные светом носители заряда совершают дрейф и создают в замкнутой электрической цепи ток, который называют фототоком Jф. Спектральная зависимость фототока совпадает со спектром поглощения полупроводника и, в общем случае, имеет вид, представленный на рис. 3.
Jф
2
1
0 Wпр |
Wg |
h |
Рис. 3. Общий вид зави си
мости фототока Jф в полу проводнике от энергии h
падающего света:
1 - примесный фототок,
2 - фототок в области края собственного поглощения
4
Квантовый выход
внутреннего фотоэффекта
Важной характеристикой внутреннего фотоэффекта является квантовый выход внутреннего фотоэффекта, β. Это количество пар носителей заряда, приходящихся на один поглощенный квант. В фотоэлектрически активной части оптического излучения квантовый выход чаще всего равен единице. С ростом энергии кванта света квантовый выход возрастает до 3...4 единиц. При поглощении фотонов большой энергии, соответствующей проника-
ющему рентгеновскому или γ-излучению (W=10 кэВ...1
МэВ), квантовый выход возрастает до нескольких 
десятков.
5
Релаксация
фотопроводимости
После прекращения облучения проводимость полупроводника за промежуток времени, равный времени жизни носителей τ, возвращается к тому значению, которое она имела до облучения (рис. 4).
I 
Рис. 4. Релаксация фотопро
водимости:
а - прямоугольный световой импульс; б - нарастание и спад концен
трации неравновесных носи те лей заряда
I - интенсивность света,- время жизни носителей
0 
nф 
nст 
а
t
б
|
|
t |
|
6 |
|||
|
|
Скорость возрастания концентрации избыточных |
|
|
носителей заряда задается дифференциальным |
|
|
уравнением |
|
|
d n |
n G0 |
(2) |
dt |
|
|
где Gо=βαI, м-3с-1 - скорость генерации носителей, β – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, α- коэффициент поглощения, м-1; I -интенсивность падающего света, м-2с-1 ,измеряемая числом квантов, падающих на единицу поверхности полупроводника в одну секунду.
Решение уравнения (2) записывается в виде
n n 1 exp t , |
(3) |
ст |
|
где nст=G0 - установившаяся концентрация избыточных |
|
носителей при стационарных условиях освещения, |
|
7
При сравнительно слабых интенсивностях светового потока I соблюдается линейная зависимость между концентрацией избыточных носителей заряда и значением фотопроводимости полупроводника. Соответственно, для нарастания фотопроводимости полупроводника справедливо выражение
|
|
ф ст 1 exp t , |
(4) |
гдеПослеΔσ |
- установившапрекращенияся фотопроводимостьосвещения скорость. |
генерации |
|
ст |
|
|
|
носителей |
заряда Gо=0 и концентрация неравновесных |
||
носителей |
заряда начинает снижаться. Соответственно, спад |
||
фотопроводимости полупроводника определяется соотношением (рис. 4)
ф ст exp t
(5)
8
Из уравнений (4), (5) и графика рис. 4, б следует, что крутизна фронтов нарастания
и спада фотопроводимости увеличивается с
уменьшением времени жизни τ неравновес-
ных носителей заряда.
Иными словами, чем меньше время жизни неравновесных носителей заряда τ, тем выше быстродействие фотополупроводнико-вого прибора.
9
Фотогальванический эффект в 
p-n переходе
Фотогальванический эффект заключа- ется в возникновении электрического тока (фототока) при освещении полупровод- никового p-n перехода, включенного в замкнутую цепь, или возникновении ЭДС на освещаемом образце при разомкнутой
внешней цепи (фотоЭДС).
Физическая природа фотогальваниче- ского эффекта связана с поглощением света полупроводником при одновремен- 
ной генерации подвижных носителей – электронов и дырок.
10