Фотоэлектрические явления в полупроводниках

Процесс образования дополнительных свободных носителей заряда в полупроводнике (фотоносителей) под действием оптического излучения называется внутренним фотоэффектом.

Внутренний фотоэффект бывает фоторезистивным (фотопроводимости) и фотогальваническим. Фоторезистивный эффект – это изменение электросопротивления полупроводника под воздействием оптического излучения, но не связанное с его нагреванием. Фоторезистивный эффект возникает в полупроводнике, если происходит либо собственное поглощение фотонов с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение с образованием носителей одного знака при возбуждении атомов примеси. В результате растет концентрация носителей заряда и уменьшается сопротивление полупроводника.

При облучении полупроводника в нем одновременно происходят процессы генерации неравновесных носителей и их рекомбинация. Через некоторое время после начала облучения устанавливается динамическое равновесие, при котором избыточная концентрация электронов, например, определяется

где: R – коэффициент отражения фотонов; - показатель поглощения; h - квантовая эффективность генерации, т.е. отношение числа возникших пар носителей при поглощении (или числа носителей при примесном поглощении) к числу поглощенных фотонов; N_ф – число фотонов, падающих на единичную поверхность полупроводника в единицу времени (находится как отношение мощности падающего на единичную поверхность излучения к энергии одного фотона ); - время жизни неравновесных носителей заряда.

Фотогальванический эффект проявляется даже при освещении поверхности полупроводника хорошо поглощаемым светом. Основное поглощение происходит в поверхностном слое, поэтому здесь же возникает избыточная концентрация электронов и дырок, которые диффундируют вглубь полупроводника (рис.5). Поскольку коэффициент диффузии электронов значительно больше коэффициента диффузии дырок, то электроны опережают дырки и происходит разделение зарядов – поверхность полупроводника заряжается положительно, а объем - отрицательно. Таким образом при освещении полупроводника возникает электрическое поле или ЭДС, называемая ЭДС Дембера. Возникшее поле будет тормозить электроны и ускорять дырки, поэтому через некоторое время после начала освещения установится динамическое равновесие в процессе диффузии носителей заряда. При этом напряженность электрического поля будет пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда.

Фотогальванический эффект возникает и в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером (с p – n переходом, с переходом металл – полупроводник, с гетеропереходом). Внутреннее электрическое поле перехода разделяет генерированные излучением фотоносители. Пространственно разделенные фотоносители разных знаков – дырки и электроны – создают фото ЭДС.

Рассмотрим процесс образования фотоносителей при облучении полупроводника потоком фотонов. Собственное поглощение в полупроводниках (процесс 1 на рис.6) обычно значительно интенсивнее, чем примесное поглощение (2 и 3 на рис.6), поскольку концентрация примесных атомов мала и большинство из них уже ионизированны при достаточно низких температурах. Поэтому фотопроводимость полупроводника существует, в основном, за счет собственных фотоносителей.

Чтобы световой фотон мог создать фотоносители, должны выполняться следующие энергетические соотношения:

(2.4)

где: e_ф1 и e_ф2 - энергии фотона в процессах 1 и 2 на рис. 6, Е_С, Е_u, Е_t - энергии дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и примесного уровня.

Следовательно, собственный фотоэффект возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длинной волны, меньшей некоторого значения:

(2.5)

где: с – скорость света; - ширина запрещенной зоны в эВ; - длинноволновая граница спектральной чувствительности полупроводника в мкм. Для кремния, германия, арсенида галлия, сернистого и селенистого кадмия равны, соответственно: 1,1; 1,8; 0,9; 0,7; 0,8 мкм. Собственный фотоэффект возможен лишь при длине волны излучения .

Излучающие ОЭПП