8.4.2. Фотопроводимость полупроводников

Фотопроводимость полупроводников – это увеличение их электропроводности под действием электромагнитного излучения. Она связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. Когда энергия фотонов, падающих на полупроводник, равна или больше ширины запрещенной зоны (h>>W), электроны из валентной зоны могут переходить в зону проводимости, что приводит к появлению добавочных (неравновесных) электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. В результате возникает собственная фотопроводимость – электронная и дырочная.

Фотопроводимость может возникнуть и при h<W, но в этом случае фотон должен обладать энергией h>>W_D для полупроводников с донорной примесью, а для полупроводников с акцепторной примесью – h>>W_A. В результате при поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n-типа. В случае полупроводников p-типа переход электронов происходит из валентной зоны на акцепторные уровни. Возникает примесная фотопроводимость либо чисто электронная (в полупроводниках n-типа), либо чисто дырочная (в полупроводниках p-типа).

Следовательно, если энергия фотонов больше ширины запрещенной зоны, что характерно для собственных полупроводников, или больше энергии активации примесных атомов для примесных полупроводников, то в полупроводнике возможна фотопроводимость, т.е. условиями существования фотопроводимости полупроводников являются соотношения

и , (8.30)

где h – постоянная Планка;

 – частота электромагнитного излучения (фотона),

W – ширина запрещенной зоны;

W_n – энергия активации примесных атомов.

Из формул (8.30) можно определить так называемую красную границу фотопроводимости, т.е. такую длину (частоту) волны электромагнитного излучения, при которой фотопроводимость возможна:

• для собственных полупроводников

; (8.31)

• для примесных полупроводников

. (8.32)

Расчеты показывают, что красная граница фотопроводимости собственных полупроводников соответствует видимой области спектра, а примесных полупроводников – инфракрасной области.

В коротковолновой части спектра уменьшение фотопроводимости можно объяснить скоростью рекомбинации в условиях сильного поглощения в тонком поверхностном слое (~1 мкм, 10^-6 м^-1).

Помимо поглощения, приводящего к возникновению фотопроводимости, в полупроводниках возможен так называемый экситонный механизм поглощения.

Экситоны представляют собой электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки (квазичастицы), возникающие в случае возбуждения с энергией меньшей ширины запрещенной зоны. Энергетические уровни экситонов располагаются вблизи дна зоны проводимости. Так как они электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к дополнительному появлению носителей проводимости, поэтому экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости полупроводников.