7.Фотопроводимость и поглощение света полупроводниками

7.1. Природа фотопроводимости

Явлением фотопроводимости называется уменьшение удельного сопротивления вещества под воздействием электромагнитного излучения. Фотопроводимость связана с квантовой природой света. Если полупроводник облучать светом, энергия фотона которого равна W = hf = 1,23/λ, то в собственном полупроводнике она затрачивается на образование электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Для того чтобы могла образоваться электронно-дырочная пара, необходимо, чтобы энергия кванта была не меньше ширины запрещенной зоны, то есть была бы достаточной для возбуждения электрона с самого верхнего уровня валентной зоны на самый нижний уровень зоны проводимости. Зависимость фотопроводимости от длины волны показана на рис. 7.1.

П ороговую длину волны λ_п можно определить, экстраполировав круто спадающий участок, то есть по длинноволновому краю фотопроводимости. По этой длине волны можно найти граничную энергию фотоэффекта, а, соответственно, и ширину запрещенной зоны. Так как запрещенная зона различных полупроводников имеет ширину от нескольких десятых до двух-трех электрон-вольт, то фотопроводимость может наблюдаться в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях спектра.

При длинах волн короче пороговой фотопроводимость определяется возбуждением электронов с более низких уровней валентной зоны на более высокие уровни зоны проводимости. Наличие «хвоста», то есть небольшой фотопроводимости при длинах волн длиннее пороговой можно объяснить двумя физическими явлениями:

1) отдельные электроны могут оказаться под суммарным воздействием энергии фотонов и энергии тепловых колебаний кристаллической решетки, тогда эти электроны перейдут в возбужденное состояние при более низких энергиях фотона;

2) ширина запрещенной зоны не является абсолютно постоянной величиной и подвержена флуктуациям, так как тепловые колебания решетки приводят к колебаниям мгновенной величины локальной плотности в объеме кристалла и, следовательно, к изменениям мгновенных расстояний между атомами. Фотон с энергией, hf < ΔW, поглощенный в том месте объема кристалла, где величина запрещенной зоны меньше средней, возбуждает пару электрон – дырка.

Таким образом, «хвост» имеет тепловую природу, его величина составляет порядка kТ.

В области малых длин волн наблюдается спад фотопроводимости. Это объясняется быстрым увеличением коэффициента поглощения с частотой и уменьшением глубины проникновения падающей электромагнитной энергии. Поглощение происходит в тонком поверхностном слое, где и образуется основное количество носителей заряда. Появление большого количества носителей заряда только у поверхности слабо отражается на проводимости всего объема полупроводника, потому что скорость поверхностной рекомбинации больше, чем объемной, а также потому, что проникающие внутрь неосновные носители заряда увеличивают скорость рекомбинации в объеме полупроводника.

Рассмотрим механизм поглощения электромагнитного излучения.

Н а рис. 7.2 показана зависимость коэффициента поглощения энергии от длины волны.

Возрастающий участок при малых длинах волн соответствует поглощению света с образованием пары электрон – дырка и появлением фотопроводимости. Спадающий участок кривой – переходная область, соответствует длинноволновому порогу фотопроводимости. Вновь возрастающий участок в длинноволновой части спектра связан с поглощением свободными носителями заряда.

К вантовая механика установила, что существуют определенные правила отбора при фотоэлектрических переходах электронов из одной энергетической зоны в другую. Электрон и оставляемая им дырка должны иметь в момент образования равные импульсы. Энергия и импульс дырки измеряются вниз от верхнего уровня валентной зоны, а для электрона – вверх от нижнего уровня зоны проводимости. Закон сохранения импульса требует, чтобы при образовании пары электрон и дырка занимали уровни, симметричные относительно соответствующих границ зон (переходы 1 на рис. 7.3).

Переходы, запрещенные правилом отбора (переход 2 на рис. 7.3), встречаются, но их вероятность будет тем меньше, чем сильнее отступление от правила отбора.

Оптическое поглощение при длинах волн, соответствующих энергиям возбуждения донорных и акцепторных примесей, наблюдается в некоторых полупроводниках с большой концентрацией примесей и при таких низких температурах, при которых примеси термически не ионизированы.

У некоторых полупроводников наблюдается большое поглощение в области длин волн, где энергия квантов достаточна для образования электронно-дырочных пар, но заметной фотопроводимости при этом не наблюдается. Предполагается, что в этом случае время жизни образовавшихся носителей мало, они сразу же рекомбинируют и не вносят вклад в проводимость полупроводника.

Частотная зависимость поглощения может смещаться в сторону длинных волн из-за образования экситонов.

Экситон – это система, состоящая из взаимосвязанных собственными электростатическими полями электрона и оставленной им дырки. Он напоминает атом водорода, в котором роль ядра играет дырка. Электростатическое поле дырки обусловливает наличие ряда дискретных энергетических уровней, из которых некоторые могут оказаться в запрещенной зоне полупроводника.

Из приведенной энергетической диаграммы (рис. 7.4) видно, что экситон может быть образован фотоном с энергией, недостаточной для переноса электрона в зону проводимости. Экситонное состояние может блуждать по кристаллу, передаваясь от одного атома к другому. При этом первый атом переходит в нормальное невозбужденное состояние.

Так как экситон представляет собой в целом нейтральное сочетание электрона с дыркой, то наложение слабого внешнего электрического поля не способно нарушить связь между ними и не влияет на хаотическое движение экситонов по кристаллу, следовательно, не создает электрического тока. Экситон при столкновении с примесными атомами может либо разорваться с образованием двух носителей заряда электрона и дырки, либо рекомбинировать и перевести атом в невозбужденное состояние. Первое требует сообщения экситону тепловой энергии, необходимой для перевода электрона с экситонного уровня в зону проводимости, второе сопровождается либо излучением кванта энергии, либо обычно отдачей энергии экситона решетке полупроводника в виде тепла.