1.3. Індукована домішкова фотопровідність

У деяких фотопровідниках поряд з домішковою фотопровідністю спостерігається своєрідне явище так званої індукованої домішкової фотопровідності. Воно полягає в тому, що у напівпровіднику, в якому при нормальному стані домішкова фотопровідність відсутня або незначна, після попереднього освітлення його світлом з області власного поглинання домішкова фотопровідність з’являється або різко збільшується (рис.1.8). Зауважимо, що індукована домішкова фотопровідність

- 14 -

спостерігається лише при низьких температурах, наприклад, при температурі рідкого азоту.

Рис.1.8. Спектральна залежність фотопровідності для CdS

без попереднього освітлення (штрихова крива) і після попереднього освітлення світлом з області власного поглинання (суцільна крива).

Для пояснення цього явища розглянемо напівпровідник, у якому в стані рівноваги існують незаповнені носіями рівні прилипання для електронів, концентрація яких дорівнює М, та рівні рекомбінації S, заповнені електронами (рис.1.9, а). Рівень Фермі F у такому напівпровіднику розташований між рівнями домішкових центрів М і S. В області домішкового поглинання (h  Е_М) такий напівпровідник є нефоточутливим. Освітлення його світлом з енергією фотонів, що відповідає області власного поглинання (h  Е_g), призводить до утворення нерівноважних електронів у с-зоні та нерівноважних дірок у v-зоні (рис.1.9, б, переходи 1).

Рис.1.9. Схема електронних (суцільні стрілки) та діркових

(штрихова стрілка) переходів, що пояснюють

виникнення індукованої домішкової фотопровідності.

- 15 -

Нерівноважні електрони захоплюватимуться центрами М, а дірки – центрами S (переходи 2 і 3). Відбудеться перезаряджання домішкових центрів, що призведе до створення у напівпровіднику квазірівноважного стану, якому відповідає розташування електронного квазірівня Фермі F_n вище рівнів М. Якщо процес перезаряджання домішкових центрів відбувається при низьких температурах, коли енергія теплового руху атомів значно менша від енергії іонізації домішкових центрів М (kT << E_M), то квазірівноважний стан напівпровідника після припинення освітлення може зберігатися досить довго.

Зауважимо, що безпосередні переходи електронів з центрів М на заповнені дірками центри S є неможливими через значні віддалі між ними.

Освітлення напівпровідника у квазірівномірному стані світлом з області домішкового поглинання (h  Е_М) призводить до фотоіонізації центрів М (рис.1.9, в, переходи 4) і, отже, до виникнення домішкової фотопровідності, яку й називають індукованою.

Індукована домішкова фотопровідність спочатку збільшується з часом, а потім, після досягнення деякого максимального значення, зменшується (рис.1.10). Це максимальне її значення досягається тоді, коли квазірівень F_n співпаде з рівнем М.

Рис.1.10. “Спалах” індукованого фотоструму (теоретична залежність):

1 – при постійній рекомбінації та відсутності повторного захоплення;

2 – при рекомбінації, інтенсивність якої зменшується з часом,

та зростанні інтенсивності повторного захоплення.

- 16 -

Зменшення величини індукованої домішкової фотопровідності зумовлене рекомбінацією збуджених з центрів М нерівноважних електронів з дірками, локалізованими на центрах S (рис.1.9, перехід 5). Зауважимо, що інтенсивність повторного захоплення нерівноважних електронів із с-зони на рівні М значно менша, ніж інтенсивність рекомбінації. Тому електрони з рівнів М поступово переходять через с-зону на рівні S, що відновлює рівноважний стан. При цьому концентрація електронів на рівнях М і, отже, інтенсивність домішкового збудження будуть зменшуватися з часом. Але спустошення рівнів М і збільшення кількості електронів на рівнях S призводитиме до зменшення ймовірності рекомбінації електронів з дірками на рівнях S та збільшення ймовірності повторного захоплення їх рівнями прилипання М. Внаслідок цього через деякий час після початку дії домішкового збудження перехід електронів з с-зони на рівні рекомбінації може практично припинитися, і напівпровідник перейде у своєрідний “квазірівноважний” стан, в якому тривалий час зберігається домішкова фоточутливість (рис.1.10, крива 2) при освітленні напівпровідника світлом з області домішкового поглинання.