Фотопроводимость полупроводников

Фотопроводимость (см. § 202) полупрводников — увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения — может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника, т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны ( ), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 324, а), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как электронами, так и дырками.

Рис. 324

Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при < : для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией >> , а для полупроводников с акцепторной примесью — >> . При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n-типа (рис. 324, б) или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (рис. 324, в). В результате возникает примесная фотопроводимость, являющаяся чисто электронной для полупроводников n-типа и чисто дырочной для полупроводников р-типа.

Таким образом, если >> для собственных полупроводников или >> для примесных полупроводников ( — в общем случае энергия активации примесных атомов), то в полупроводнике возбуждается фотопроводимость. Из приведенных выше соотношений можно определить красную границу фотопроводимости — максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается: для собственных полупроводников, для примесных полупроводников.

Учитывая значения и для конкретных полупроводников, можно показать, что красная граница фотопроводимости для собственных полупроводников приходится на видимую область спектра, для примесных же полупроводников — на инфракрасную.

Рис. 325

На рис. 325 представлена типичная зависимость фотопроводимости j и коэффициента поглощения от длины волны падающего на полупроводник света. Из рисунка следует, что при > фотопроводимость действительно не возбуждается. Спад фотопроводимости в коротковолновой части полосы поглощения объясняется большой скоростью рекомбинации в условиях сильного поглощения в тонком поверхностном слое толщиной » 1 мкм (коэффициент поглощения »10⁶м^-1).

Наряду с поглощением, приводящим к появлению фотопроводимости, может иметь место экситонный механизм поглощения. Экситоны представляют собой квазичастицы — электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.