1. Домішкова фотопровідність

1.1. Особливості домішкової фотопровідності

У реальних напівпровідниках завжди є певна кількість домішкових і власних точкових дефектів, які можуть іонізуватися під дією світла, що призводить до збільшення концентрації вільних носіїв заряду і, отже, до збільшення електропровідності матеріалу. Збільшення електропровідності напівпровідника, яке виникає внаслідок фотоіонізації домішкових центрів¹, називається домішковою фотопровідністю. Домішкова фотопровідність спостерігається при менших енергіях фотонів, ніж власна, оскільки енергія іонізації домішок Е_дом менша від енергії E_g іонізації основних атомів напівпровідника (Е_дом < E_g). Тобто, утворення вільних носіїв заряду при домішковому поглинанні світла відбувається при менших енергіях фотонів, ніж при власному поглинанні. Це зумовлене меншими значеннями енергетичних щілин між домішковими рівнями і дозволеними енергетичними зонами, ніж, власне, між цими зонами (|Е_дом| < |E_g|, |E_g – Е_дом| < |E_g|) (рис.1.1, а).

а) б)

Рис.1.1. а) Переходи електронів при власному (1)

та домішковому (2,3) збудженні; б) схематичне

зображення спектральної залежності власної (1)

та домішкової (2) фотопровідності.

Внаслідок цього довгохвильова межа домішкового поглинання світла і, відповідно, домішкової фотопровідності зсунута у бік більших довжин хвиль у порівнянні з власним поглинанням та власною фотопровідністю (рис.1.1, б).

Зазначимо, що концентрація домішок, як правило, на багато порядків менша від концентрації основних атомів напівпровідника, і тому домішкове поглинання, а, відповідно, й інтенсивність фотоіонізації домішок, значно слабша від інтенсивності фотоіонізації при власному поглинанні світла. Тому при наявності одночасного власного і домішкового поглинання світла останній тип поглинання не відіграє істотної ролі у процесі фотоіонізації, і його можна не брати до уваги. Спектральна область домішкового фотоефекту примикає до області власного фотоефекту з боку більших довжин хвиль (рис.1.2, крива 2).

- 5 -

Рис.1.2. Спектральна залежність фоточутливості

для власної (1) та домішкової фотопровідності.

Домішковий фотоефект зумовлює виникнення домішкової фотопровідності, яка характеризується рядом особливостей у порівнянні з власною фотопровідністю. Розглядаючи особливості домішкової фотопровідності, необхідно звернути увагу на дві з них, що визначають її специфіку.

Рис.1.3. Схематичне зображення подвійних

оптичних переходів електронів з валентної зони

у зону провідності при домішковому збудженні.

У процесі домішкового поглинання світла завжди утворюються вільні носії заряду лише одного знаку, тоді як при власному поглинанні завжди утворюються однакові кількості вільних носіїв обох знаків (n = p). Проте, це не означає, що власна фотопровідність є завжди біполярною, а домішкова – монополярною. Внаслідок великої різниці часів життя електронів та дірок фотопровідність може бути монополярною й при

- 6 -

власному збудженні.

З іншого боку, у деяких випадках і при домішковому фотозбудженні можуть утворюватися вільні носії обох знаків. Наприклад, при фотоіонізації глибоких домішкових центрів можливі переходи електронів спочатку з v-зони на домішкові рівні (рис.1.3, перехід 1), а потім з цих рівнів у с-зону (перехід 2). Такі подвійні оптичні переходи будуть призводити до утворення вільних дірок у v-зоні та електронів у с-зоні. Вони можуть відбуватися за умови, що h  Е_дом і одночасно h  Е_g – Е_дом. Крім цього, домішкове фотозбудження може приводити до виникнення біполярної фотопровідності і внаслідок теплового обміну носіями заряду між домішковими рівнями і зоною, в яку не переходять збуджені носії. Наприклад, якщо при освітленні напівпровідника світлом з енергією фотонів h  Е_дом електрони переходять з домішкових рівнів у с-зону (рис.1.3, перехід 2), то зменшення концентрації електронів на домішкових рівнях призведе до порушення теплової рівноваги між цими рівнями і v-зоною. Встановлення нової рівноваги між домішковими рівнями і v-зоною буде супроводжуватись збільшенням концентрації вільних дірок у v-зоні.

Отже, в принципі, і при домішковому фотозбудженні фотопровідність може бути біполярною. Але необхідно зауважити, що порушення теплової рівноваги між домішковими рівнями і енергетичною зоною, в яку не переходять фотозбуджені носії, та подвійні оптичні переходи електронів при домішковому збудженні можуть відігравати помітну роль лише у випадку фотоіонізації дуже глибоких домішкових рівнів, розташованих в області середини забороненої зони напівпровідника.

У більшості випадків, які практично реалізуються при експериментальних дослідженнях, названі можливі причини виникнення біполярної фотопровідності при домішковому збудженні не є істотними, і тому домішкова фотопровідність, на відміну від власної, спостерігається як чітко виражена монополярна.

Інша важлива особливість домішкової фотопровідності пов’язана із залежністю коефіцієнта поглинання у домішковій

- 7 -

області від інтенсивності світла. Зазначимо, що при власному поглинанні коефіцієнт поглинання не залежить від інтенсивності світла. Тому при великих інтенсивностях домішкового збудження люксамперна характеристика стаціонарної фотопровідності, побудована у подвійному логарифмічному масштабі, відхиляється від лінійного вигляду, що спостерігається при малих інтенсивностях світла, і прямує до насичення (рис.1.4, крива 2). У випадку власної фотопровідності люксамперна характеристика лінійна аж до найбільших інтенсивностей світла, які можна практично забезпечити (рис.1.4, крива 1).

Рис.1.4. Залежність стаціонарної фотопровідності

від інтенсивності світла для власного (1)

та домішкового (2) поглинання.

Відхилення люксамперної характеристики домішкової фотопровідності від лінійності при великих інтенсивностях світла і прямування її величини до насичення пояснюється виснаженням домішок, тоді як при власному збудженні при використовуваних інтенсивностях збудження неможливо досягнути виснаження основних атомів напівпровідника.