Власна та домішкова фотопровідність

Процес генерації нерівноважних носіїв заряду при опроміненні напівпровідника називається внутрішнім фотоефектом. Додаткова електропровідність напівпровідника, яка виникає за рахунок надлишкових нерівноважних носіїв заряду, генерованих випромінюванням, називається фотопровідністю.

При відсутності освітлення темнова електропровідність

, (6.5)

де е – заряд електрона, U_n і U_p – рухливості електронів і дірок.

При освітленні світлова електропровідність

.

Отже, додаткова електропровідність при освітленні називається фотопровідністю і дорівнює

. (6.6)

В залежності від енергії світлових квантів може збуджуватись власна і домішкова фотопровідність. Коли енергія поглинутого електроном фотона не менша ніж ширина забороненої зони, відбувається його перехід із валентної зони в зону провідності (переходи 1,3 рис.6.1). Генеруються електрон і дірка. Має місце власна, або біполярна фотопровідність, величина якої визначається формулою (6.6). Як уже зазначалось, умовою її існування є нерівність

. (6.7)

При Е_ф=ΔЕ_g, маємо мінімальну частоту ν_ч і максимальну довжину хвилі λ_ч світла, коли воно ще фотоелектрично активне. Ці параметри називаються „червоною” (довгохвильовою) межею фотопровідності

. (6.8)

Домішкова фотопровідність спостерігається при значно меншій частоті, або більшій довжині хвилі. У цьому випадку для іонізації домішкових атомів (переходи 2,4 рис.6.1) необхідна значно менша енергія фотона. „Червона” межа домішкової фотопровідності виражається аналогічним (6.8) співвідношенням, якщо ΔE_g замінити на енергію активації донора E_D чи акцептора Е_А. При домішковій фотопровідності генеруються носії одного знаку, тому така фотопровідність називається монополярною

і (6.9)

для донорного і для акцепторного напівпровідників відповідно.

Для збудження домішкової фотопровідності домішкові атоми ще не повинні бути термічно іонізовані. Тобто температура фотопровідника повинна бути нижчою, ніж температура виснаження домішки (див. розділ 5.7).

Як власна, так і домішкова фотопровідність залежать від довжини хвилі випромінювання (рис.6.2). В області коротких довжин хвиль спостерігається власна фотопровідність, а в довгохвильовій області – домішкова, причому домішкових смуг може бути декілька у відповідності з різними енергіями активації різних домішок. Спад фотопровідності з боку великих довжин хвиль (правий спад на рис.6.2) зумовлений енергетичними обмеженнями, коли енергія фотонів уже менша від ширини забороненої зони, чи енергії активації домішки. Спад з боку коротких довжин хвиль пояснюється так званим ексітонним поглинанням, введеним вперше Френкельом. Ексітон утворюється при переході електрона на більш високі енергетичні рівні, які знаходяться в забороненій зоні біля дна зони провідності, тобто він не стає вільним. Електрон не втрачає повністю зв’язку з діркою. Таким чином, ексітон – це пара електрон-дірка, які можуть або рекомбінувати, або розпастись на вільні носії заряду.