Контрольні запитання

1. Чим відрізняється енергетичний спектр електронів у кристалі від спектра в ізольованому атомі?

2. Який напівпровідник називається власним?

3. Які домішкові центри називають донорами, акцепторами?

4. Який фізичний зміст функції розподілу?

5. Поясніть фізичний зміст рівня Фермі.

6. Назвіть оптичні константи та охарактеризуйте їх зв’язок з діелектричною проникністю речовини.

7. Дайте визначення оптичних коефіцієнтів.

8. Запишіть закон Бугера-Ламберта.

9. Який зв’язок між коефіцієнтом поглинання та довжиною вільного пробігу фотона в напівпровіднику?

10. Експериментальні методи визначення коефіцієнта поглинання.

11. Що називається краєм власного поглинання?

12. Дайте визначення прямих та непрямих переходів електронів із v-зони в с-зону при освітленні напівпровідників.

13. Як визначити ширину заборонної зони напівпровідника у випадку прямих та непрямих оптичних переходів електронів із v-зони в с-зону?

14. Поясніть причину зміщення краю власного поглинання при зміні температури напівпровідника.

- 36 -

З а д а ч і

1. Визначити діелектричне відбивання для кристалів Ge, Si та CdTe, якщо показник заломлення світла в цих матеріалах дорівнює 4,006; 3,446 та 2,670 відповідно.

2. Знайдіть положення краю власного поглинання в напівпровіднику, ширина забороненої зони якого при кімнатній температурі дорівнює 1,45 еВ.

3. Визначити глибину проникнення фотонів (ℓ_ф) у напівпровідник для власного поглинання, якщо коефіцієнт поглинання дорівнює  = 110^-4 см^-1.

ІІ. ЯВИЩЕ ФОТОПРОВІДНОСТІ

1. Внутрішній фотоефект

При власному та домішковому поглинанні світла відбувається іонізація атомів напівпровідника, що призводить до виникнення нерівноважних носіїв заряду. Процес утворення нерівноважних носіїв заряду під дією світла називають внутрішнім фотоефектом.

Характерна особливість внутрішнього фотоефекту – збереження електричної нейтральності напівпровідника, тоді як при зовнішньому фотоефекті електронейтральність матеріалу не зберігається. У бездомішковому напівпровіднику явище внутрішнього фотоефекту спостерігається при опроміненні його світлом з енергією фотонів не меншою ніж ширина забороненої зони (h  E_g). У цьому випадку умова збереження електронейтральності напівпровідника записується у вигляді n = p, тобто поглинання світла призводить до утворення однакових кількостей нерівноважних електронів у с-зоні та нерівноважних дірок у v-зоні (рис. 1.7, перехід 1) і тому електрична нейтральність напівпровідника не порушується.

У напівпровідниках зі значною кількістю домішкових та власних точкових дефектів внутрішній фотоефект може спостерігатися і при освітленні світлом з енергією фотонів меншою ніж ширина забороненої зони (h < E_g). У таких напівпровідниках під дією світла відбувається іонізація домішкових центрів (рис. 1.7, переходи 2 і 3), що призводить до утворення нерівноважних носіїв одного знака: в матеріалі n-типу утворюються нерівноважні електрони, а в матеріалі р-типу –

- 37 -

нерівноважні дірки. Електронейтральність матеріалу зберігається й у цьому випадку, оскільки концентрації вільних та зв’язаних на домішкових центрах носіїв заряду, що утворюються при освітленні, однакові.

Важливою характеристикою внутрішнього фотоефекту є інтенсивність генерації g нерівноважних носіїв, яка визначається кількістю електронно-діркових пар нерівноважних носіїв, що утворюються під дією світла в одиниці об’єму напівпровідника за одиницю часу. Величина g пропорційна до кількості світлової енергії, яка поглинається в цьому самому об’ємі напівпровідника за цей самий час:

, (2.1)

де  – коефіцієнт поглинання світла; І – інтенсивність світла, яке падає на поверхню напівпровідника;  – коефіцієнт пропорційності. Коефіцієнт  визначає кількість електронно-діркових пар, що утворюються в напівпровіднику при поглинанні одного фотона. Цей коефіцієнт називають квантовим виходом внутрішнього фотоефекту. Значення величини  залежить від енергій фотонів (рис. 2.1). При опроміненні напівпровідника фотонами, енергія яких змінюється в межах від значень, що відповідають ширині забороненої зони Е_g напівпровідника, до 2Е_g, коефіцієнт  дорівнює одиниці. При більших значеннях енергії фотонів (h > 3E_g) величина  починає збільшуватися ( > 1), що пояснюється вторинними ефектами, викликаними ударною іонізацією атомів напівпровідника.

Рис. 2.1. Залежність квантового виходу від енергії фотонів

- 38 -

Зауважимо, що при поглинанні випромінювання з великими енергіями фотонів (Х, ) вторинні ефекти не обмежуються лише ударною іонізацією. У цьому випадку може відбуватися комптонівський ефект, а також виривання електронів із глибоких електронних оболонок атомів, що призводить до виникнення характеристичного Х-випромінювання, поглинання якого, у свою чергу, призведе до іонізації атомів.