3. Примесное поглощение света

В примесных полупроводниках под действием света может про-исходить переброс электронов с донорных уровней в зону проводимости и из валентной зоны на уровни акцепторов (рис.2.5) Для этого квант света должен иметь энергию hν_фот≥ ΔE_d, ΔE_a. Такое поглощение называют примесным. Граница примесного поглощения сдвинута в об-ласть длинных волн тем сильнее, чем меньше энергия ионизации со-ответствующего перехода.

Следует иметь в виду, что если примесные атомы уже ионизированы, то примесное поглощение наблюдаться не будет. Так как температура полной ионизации примеси падает с уменьшением энергии ΔE_dили ΔE_a, то для наблюдения длинноволнового примесного поглощения необходимо охлаждение полупроводника до достаточно низкой температуры. Например, спектр примесного поглоще-ния Ge, легированного золотом с ΔE_пр=0,08 эВ с гра-ницей поглощения λ=9 мкм, наблюдается при температуре жидкого азота Т=77К. Коэффициент примесного поглощения α_пр лежит до 10 см^-1.

4. Равновесные и неравновесные носители заряда

При Т≠ 0 К в полупроводнике происходит тепловая генерация носителей заряда. Наряду с процессом генерации возникает процесс рекомбинации: электрон зоны проводимости, встречаясь с дыркой, переходит в валентную зону, заполняя свободное состояние. Обозначим через G_oчисло генерируемых, а через R_o– число рекомбинирующих электронно-дырочных пар в единицу времени, т.е. G_oи R_oскорости генерации и рекомбинации соответственно. Динамическое равновесие между эти-ми процессами достигается при G_o= R_oи приводит к установлению в полупроводнике равновесной концентрации электронов n_oи дырок р_o. Такие носители заряда называются равновесными, и для них выполняется условиеn_oр_o=n_i². Величинаn_iназывается собственной концентрацией носителей заряда. В состоянии теплового равновесия скорость рекомбинации пропорциональна произведению концентраций носителей заряда, поэтому

G_o=R_o=γn_op_o=n_i², (2.3)

где γ– коэффициент рекомбинации.

Если же полупроводник подвергается внешнему воздействию, например оптическим излучением, то появляются дополнительные, неравновесные носители заряда, и в кристалле устанавливается стационарное состояние, при котором G_o + G = R_o+R, где G и R – скорости генерации и рекомбинации неравновесных электронов и дырок. Стационарные концентрации в этом случае равны n = n_o+Δnдля электронов и р = р_о+Δр для дырок, где Δnи Δр – концентрации неравновесных электронов и дырок.

Поскольку неравновесные носители заряда неотличимы от равновесных, то можно записать выражение, аналогичное (2.3).

R_о+ ΔR=γ(n_o+ Δn)(р_о+Δр) =G_о+G. (2.4)

Если мощность оптического излучения невелика, то Δn, Δр << (n_o+p_o), и в случае собственного поглощения Δn = Δр. Тогда (2.4) с учетом ΔnΔр << n_ор_оможно привести к виду

G=R=γ(n_o+p_o)Δn.

Время жизни неравновесных носителей заряда определяется отношением

Τ = Δn/R = Δn/G = 1/[γ(n_o + p_o)]. (2.5)

Оно не зависит от мощности излучения и определяется концентрацией равновесных носителей заряда и коэффициентом γ, который определяется механизмом рекомбинации. Для собственного полупроводника n_o+p_o= 2n_iи с учетом уравнения (В.1) получим

τ ~ [exp(ΔEg/2kT)]/2γ,

т.е. время жизни возрастает с увеличением ΔEg и уменьшением Т.