7.2. Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения

При конкретной энергии квантов, обеспечивающей появление фотопроводимости, величина ее возрастает с увеличением интенсивности сначала быстро, а потом медленнее, так как одновременно происходят два процесса с противоположным влиянием на величину фотопроводимости.

С одной стороны возрастает число носителей заряда, с другой – при увеличении числа носителей разных знаков возрастает рекомбинация. Зависимость фотопроводимости от интенсивности излучения представлена на рис. 7.5.

Закономерности возрастания фотопроводимости от интенсивности облучения у разных полупроводников различны. На практике фотопроводимость часто определяют зависимостью вида

,

где В – постоянная, характеризующая полупроводник; Ф – интенсивность освещения; х – показатель степени, определяющийся условием 0 < x < 1.

Для первичного фототока, то есть тока зарядов, непосредственно активируемых светом, закон Ома выполняется только в области слабых полей. При дальнейшем увеличении поля первичный поток растет медленнее, чем по линейному закону, стремясь в сильных полях к насыщению. Такая закономерность вытекает из физической сущности механизма возбуждения первичного фототока. Носители заряда, активируемые светом, в отсутствие поля хаотически блуждают по кристаллу в течение времени их жизни τ, после чего рекомбинируют или захватываются дефектами решетки. При наличии слабого поля носители дрейфуют по полю в течение некоторого времени от момента возбуждения до момента рекомбинации, смещаясь к электродам на некоторое среднее расстояние .

Фототок опредляется выражением

,

где n_ф – число носителей заряда, освобождаемых светом за единицу времени; l₀ – расстояние между электродами.

Сначала фототок линейно возрастает с увеличением напряженности поля. Когда сдвиг отдельных носителей становится соизмеримым с расстоянием между электродами, возрастание первичного фототока с полем замедляется, а при еще большей напряженности поля фототок доходит до насыщения, определяемого равенством длины сдвига расстоянию между электродами. Предельный фототок равен суммарному заряду всех носителей, освобождаемых светом в единицу времени во всем кристалле и переносимым полем к электродам.

7.3. Люминесценция полупроводников

Люминесценцией называется нетепловое свечение, вызванное внешними воздействиями. По длительности свечения после акта возбуждения люминесценцию подразделяют на флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценцией называется свойство материала испускать свет под действием света, рентгеновских лучей, бомбардировки частицами высоких энергий, электрического поля или трения. Фосфоресценцией называется разновидность люминесценции, при которой происходит накопление энергии возбуждения и медленное ее выделение через некоторое время, продолжительность которого для разных фосфоров может быть от нескольких секунд до нескольких часов.

Флуоресценцию в большинстве случаев объясняют просто увеличением энергии примесей или атомов твердого тела за счет внешних энергетических воздействий с последующим немедленным (10^-8с) излучением света и возвращением к первоначальным состояниям с низкой энергией.

Для объяснения фосфоресценции полагают, что перешедшие в зону проводимости электроны захватываются из нее ловушками, в которых находятся в течение некоторого времени, пока не окажутся вновь переброшенными в зону проводимости вследствие повторного возбуждения. Из зоны проводимости они переходят в состояние с низкой энергией, излучая кванты света. Энергетическая диаграмма имеет при этом следующий вид (рис. 7.6).

Н а диаграмме изображены уровни примеси двух типов в запрещенной зоне кристалла.

Первая примесь называется активатором и представляет собой атомы доноров, энергетические уровни которых расположены значительно ниже дна зоны проводимости.

Вторая примесь является захватывающим центром – ловушкой, акцепторные уровни которой расположены на несколько kТ ниже дна зоны проводимости кристалла. Перешедшие в зону проводимости электроны могут захватываться ловушками с понижением энергии до локального энергетического уровня ловушки. Потребуется некоторое время, прежде чем захваченный ловушкой электрон будет снова термически переброшен в зону проводимости. Затем электрон может рекомбинировать с дыркой, излучая фотон, или же может быть снова захвачен ловушкой.

По-видимому, существуют правила отбора, запрещающие электрону рекомбинировать с дыркой, пока он находится на энергетическом уровне ловушки. Время пребывания электронов в ловушках определяется в основном запаздыванием высвечивания фосфоров с длительным послесвечением. Длительность послесвечения фосфоров определяется глубиной залегания энергетических уровней ловушек относительно дна зоны проводимости кристалла. Так как многие электроны рекомбинируют с активаторами, а не с дырками в валентной зоне, то спектр эмиссии фосфора зависит не только от самого кристалла, но и от природы активаторов и размещения их энергетических уровней в запрещенной зоне полупроводника. Таким образом, цвет свечения фосфора определяется видом активатора.

Контрольные вопросы и задания

1. Чем вызвана фотопроводимость полупроводников?

2. Какова природа «теплового хвоста»?

3. Каков механизм поглощения света?

4. Что представляет собой экситон?

5. Как влияет наличие экситонного состояния на поглощение света полупроводником?

6. Поясните зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения.

7. Что такое люминесценция?

8. Что называется флуоресценцией? Каков ее механизм?

9. Что такое фосфоресценция? Чем объясняется это явление?

10. Что собой представляют электронные ловушки?