1.5. Оптична перезарядка домішкових центрів

Освітлення напівпровідника може призводити не лише до зміни концентрації носіїв заряду в дозволених енергетичних зонах, але й до зміни заповнення ними локальних домішкових рівнів у забороненій зоні. Це явище особливо чітко можна простежити при вивченні оптичної перезарядки багатозарядних домішкових центрів у напівпровідниках. Для ілюстрації цього розглянемо явища, які повинні відбуватися при оптичному збудженні напівпровідника, в якому є багатозарядні домішки.

Нехай, наприклад, у напівпровіднику є три домішкові рівні, які можуть захоплювати електрони (рис.1.13, а). Припустимо, що у стані рівноваги рівні 1 і 2 повністю заповнені електронами, а рівні 3 – незаповнені. При освітленні такого напівпровідника світлом з енергією фотонів h  Е₂ електрони з рівнів 2 будуть переходити у с-зону (перехід 1), і потім можуть захоплюватися рівнями 3 (перехід 2) або повторно захоплюватися рівнями 2. Але, оскільки на початку незаповнених електронами рівнів 3 більше, ніж рівнів 2, то головним чином відбуватиметься захоплення електронів рівнями 3.

Рис.1.13. Схема електронних переходів, яка ілюструє перезарядку домішкових центрів: а – рівноважний стан напівпровідника і пряма перезарядка домішкових рівнів; б – квазірівноважний стан;

в – зворотна перезарядка домішкових рівнів.

Отже, в результаті освітлення напівпровідника відбудеться переміщення електронів з рівнів 2 на рівні 3, що призведе до встановлення квазірівноважного стану (рис.1.13, б), який при низьких температурах, коли kT << Е₃, може зберігатися дуже довго після припинення дії світла.

- 21 -

Процес переміщення електронів з одних домішкових рівнів на інші, які у рівноважних умовах не заповнені електронами, називають оптичною перезарядкою домішкових центрів.

Зазначимо, що перезарядка домішкових центрів може відбуватися і при освітленні напівпровідника світлом з енергією фотонів, що відповідає області власного поглинання (h  Е_g). У цьому випадку нерівноважні електрони захоплюватимуться рівнями 3, а дірки – рівнями 2, що рівнозначно переходам електронів з рівнів 2 на рівні 3.

Розглянутий процес перезарядки домішкових центрів при освітленні напівпровідника називають “прямою” перезарядкою. При цьому напівпровідник переходить у квазірівноважний стан, який при низьких температурах може зберігатися досить довго, оскільки відновлення рівноважного стану можливе лише через с-зону і, отже, потребує затрат енергії для подолання енергетичної щілини між рівнями 3 і с-зоною. При низьких температурах, коли kT << Е₃, теплові переходи електронів з рівнів 3 у с-зону малоймовірні, а прямі переходи електронів з рівнів 3 на рівні 2 неможливі через великі віддалі між відповідними домішковими центрами.

“Зворотна” перезарядка домішкових рівнів може легко відбутися при освітленні світлом з енергією фотонів h  Е₃ (рис.1.13, в). Під дією світла електрони переходять з рівнів 3 у с-зону (перехід 1) з наступним захопленням їх рівнями 2 (перехід 2), що призводить до відновлення рівноважного стану.

Явище оптичної перезарядки домішкових центрів відіграє важливу роль у багатьох фоточутливих напівпровідниках і проявляється не лише в ефекті індукованої домішкової фотопровідності, але й у вирішальному впливі на характер кінетики фотоелектричних процесів. Зокрема, це явище використовують при дослідженні термостимульованих ефектів, які базуються на зворотній перезарядці домішкових центрів за допомогою нагрівання напівпровідника з деякою сталою швидкістю.

- 22 -

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Поясність, чому домішкова фотопровідність спостерігається при менших енергіях фотонів, ніж власна.

2. Назвіть характерні особливості домішкової фотопровідності.

3. Запишіть диференційне рівняння, яке описує кінетику домішкової фотопровідності, і поясніть, за яких умов дане рівняння можна перетворити у лінійне.

4. Поясніть, чому криві збільшення домішкової фотопровідності при освітленні та зменшення її при затемненні асиметричні.

5. Які параметри домішкових центрів можна визначити з дослідження кривих релаксації домішкової фотопровідності.

6. Дайте визначення індукованої домішкової фотопровідності.

7. Намалюйте криву релаксації індукованої домішкової фотопровідності n(t) і поясніть її.

8. Поясніть процес переходу домішкового напівпровідника у квазірівноважний стан при освітленні його світлом з енергією фотонів h  Е_g при низьких температурах.

9. Що таке “оптична перезарядка домішкових центрів”?

10. Чому квазірівноважний стан напівпровідника, що виникає внаслідок прямої перезарядки домішкових центрів при низьких температурах, зберігається дуже довго?

- 23 -