3.2. Внутренний фотоэффект

При освещении полупроводника происходит процесс внутренней ионизации под действием света. Он приводит к образованию дополнительных носителей заряда, которые называются неравновесными. В отличие от них носители заряда, которые появляются в результате термической ионизации и находятся в термодинамическом равновесии с решеткой называются равновесными или термализованными. Эффект появления дополнительных неравновесных носителей заряда называют внутренним фотоэффектом. Изменение электрического сопротивления полупроводника под действием излучения называют фоторезистивным эффектом. Добавочная проводимость, обусловленная носителями заряда, созданными оптической генерацией, носит название фотопроводимости.

Появление неравновесных носителей при поглощении света веществом происходит в результате электронных переходов. Схема электронных оптических переходов, возникающих в веществе при поглощении света, приведена на рисунке 3.2 для случая плоских зон.

Рис. 3.2. Схема электронных переходов, возникающих в полупроводнике при поглощении света. Е1,2 – примесные уровни, 1 – собственное поглощение, 2 – межпримесное поглощение, 3а,б,в – примесное поглощение.

При межзонных переходах (1) имеет место собственная фотопроводимость, для которой энергия фотона h должна быть не меньше ширины запрещенной зоны(h E_g). При наличии в запрещенной зоне локальных уровней примесных атомов оптическое поглощение может вызвать переходы между уровнями примеси и энергетическими зонами (2, 3). В этом случае фотопроводимость называют примесной фотопроводимостью. Энергия ионизации примеси E_пр меньше ширины запрещенной зоны E_g и спектр примесного фотона расположен в длинноволновой по отношению к спектру собственной фотопроводимости области.

При поглощении фотона электронно-дырочная пара получает избыточную энергию и квазиимпульс. Равновесное распределение фотоносителей по энергиям и квазиимпульсам устанавливается за время, меньшее времени нахождения в соответствующих зонах. Поэтому они успевают "термализоваться", т.е. распределение их по энергиям и квазиимпульсам становится таким же, как для равновесных электронов и дырок.

Полная проводимость полупроводника

 = q (_nn_о + _рp_о + _nn + _рp), (3.10)

где n_o, p_o - равновесные концентрации электронов и дырок, n, p - их неравновесные концентрации.

Проводимость, появляющаяся в результате действия оптического излучения,

_ = q₍_nn + _рp). (3.11)

Возбужденные светом избыточные электроны и дырки остаются свободными в зоне проводимости и в валентной зоне до тех пор, пока не рекомбинируют или не будут захвачены на локальный энергетический уровень.

Эффекты поглощения света в полупроводнике находят практическое применение при создании модуляторов световых потоков, фотоприемников и преобразователей световой энергии в электрическую (фотодатчиков). На рис. 3.3 показаны устройство фоторезистора и схема его включения. Фоторезистор - прибор, с помощью которого можно регистрировать световое излучение по фотопроводимости. Он состоит из чувствительного моно- или поликристаллического полупроводника в виде бруска или пленки с двумя омическими контактами.

При h³E_g концентрация неравновесных носителей пропорциональна скорости оптической генерации G = ^n/_ :

G =()N_, _(3.12)

где N_ = ^I__h - поток фотонов, проникающих через поверхность полупроводника, см²с^-1, I_ - интенсивность падающего света, () - квантовый выход фотоионизации, n - число электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света,  - время жизни.

Рис. 3.3. Устройство фоторезистора и схема его включения: J_o - падающее излучение заданной интенсивности, L - длина чувствительного слоя, R_н - нагрузочное сопротивление, V_о - приложенное напряжение, I_ф - фототок

Объемная скорость генерации носителей тока в плоскости, находящейся на расстоянии (х) от освещаемой поверхности полупроводника, с учетом (3.4), определяется уравнением:

G(x)= ([1- R(]N_ exp(-(x), (3.13)

где N_о - поток фотонов, падающих на поверхность полупроводника, N_(1 - R() - поток поглощенных фотонов N_.

Квантовый выход фотоионизации, ( учитывает, что часть энергии поглощенных фотонов расходуется без образования неравновесных электронов и дырок.

Генерируемая светом концентрация избыточных носителей в фотопроводимости (3.11) зависит от интенсивности света и длины волны (3.12).

Скорость генерации носителей на поверхности полупроводника (х = 0) определяется выражением (3.12). Процесс нарастания неравновесных носителей сопровождается обратным процессом рекомбинации. При наступлении динамического равновесия этих процессов установится стационарное состояние с постоянным значением концентрации неравновесных носителей.

n_ст = G_n_nnN_ф_nn_n ^I__h. (3.14)

p_ст G_p_pn_p^I__h. (3.15)

Стационарная фотопроводимость равна:

_ф,стen(_n_n + _p_p) ^I__h. (3.16)

Величину

S = ^__I (3.17)

определяют, как удельную фотопроводимость полупроводника.

Если за счет разницы в подвижности  или времени жизни  электронов или дырок один из членов в скобах выражения (3.16) преобладает, то фотопроводимость становится монополярной:

_ф,стen^I__h. (3.18)

Плотность фототока в этом случае имеет вид:

j_ф= _ф,ст Е = en^I__hЕ. (3.19)

Так как Е = v_др = ^L/_t, где L – длина фотопроводника, а t – время дрейфа носителя между электродами, то

j_ф=en L ^I__h. (3.20)

Зависимость электропроводности от энергии падающего излучения носит название спектральной зависимости собственной фотопроводимости (рис. 3.4).

K_ф = (3.21)

называется коэффициентом усиления. Так как t_n = ^L2/_nU , t_p = ^L2/_pU, где U – напряжение, можно записать фототок в виде:

j_фeG(_n_n + _p_p) ^U_L. (3.22)

Физический смысл коэффициента К заключается в том, что созданная светом неравновесная проводимость в полупроводнике сохраняется до тех пор, пока не рекомбинируют в объеме или не уйдут через контакты во внешнюю цепь избыточные носители.

Рис. 3.4. Спектральное распределение фототока полупроводников в области собственного поглощения.

Для собственного поглощения в области малых смещений при равномерной по объему генерации электронно-дырочных пар фотопроводимость определяется уравнением

eG(_n + _p) - ^, (3.23)

где _ф - характерное время, являющееся временем жизни неравновесной проводимости _ф.

В стационарном состоянии = 0 и фотопроводимость

_ф,ст eG(_n + _p)_ф. (3.24)

Чем выше _ф, тем больше фотопроводимость, но и больше время установления стационарного состояния, т.е. больше инерционность фотоприемного устройства. Фоточувствительный слой фоторезистора выполняют из сульфидов, селенидов и теллуридов свинца, кремния, германия, арсенида и антимонида индия или сплава CdHgTe. У каждого вещества свой спектральный диапазон, который в общей сложности перекрывается от 0,3 до 30 мкм.