Поглощение света в твердых телах

Релаксация фотопроводимости в полупроводниках

Поглощение света полупроводниками и диэлектриками часто вызывает фотоионизацию, т. е. возникновение избыточных электронов и дырок в зоне проводимости и в валентной зоне по сравнению с их равновесной концентрацией.

Электроны полупроводника можно разделить на следующие группы, в зависимости от характера их взаимодействия с электромагнитным излучением:

I - электроны в валентной зоне;

II - носители заряда (электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне);

III - электроны, локализованные на энергетических уровнях дефектов или примесей;

IV - электроны внутренней электронной оболочки.

Взаимодействие света с металлом или полупроводником носит различный характер в зависимости от энергии кванта света. В результате поглощения света твердым телом могут возникать разнообразные эффекты.

1. Разогрев вещества. Это наиболее распространенный случай. Энергия фотона либо недостаточна для разрыва электронных связей, либо состояние поверхности твердого тела не позволяет электронам покидать вещество. Как правило, свет поглощается только поперечными колебаниями решетками.

2. Внешний фотоэлектрический эффект. Практически осуществляется чаще всего в металлах с малой работой выхода (фотоэлектронная эмиссия). Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта

, (1)

где - работа выхода электрона из кристалла;

- кинетическая энергия фотоэлектрона.

3. Внутренний фотоэффект. Чаще всего осуществляется в полупроводниках, т. к. здесь обычно энергия фотона не достаточна для вырывания электрона с поверхности, но достаточна для разрыва парных ковалентных связей:

. (2)

На рис. 1 показаны возможные переходы электронов в полупроводниковых кристаллах под действием света. Здесь – энергия, соответствующая нижнему краю зоны проводимости (дно зоны проводимости).

Переход 2 приводит к появлению электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Он возможен при энергии фотонов

(3)

т. е. большей ширины запрещенной зоны . Говорят, что при таких переходах происходит собственное поглощение света.

Переходы 3 и 4. При меньшей энергии фотонов ( ; ) могут происходить переходы электронов с локальных уровней примеси или дефектов решетки кристаллов в зону проводимости (переход 3) или из валентной зоны на эти уровни (переход 4). При этом в разрешенных зонах энергии появляется только по одному носителю заряда. При переходах 3, 4 происходит примесное поглощение света.

Переходы 2, 3, 4 изменяют электропроводность твердых тел, на этом явлении внутреннего фотоэффекта основана работа большинства фотоприемников.

При внутрицентровых переходах 5 электрон не освобождается и процесс поглощения света не приводит к изменению электропроводимости кристалла. В фотоприемниках обычно используют собственное поглощение. Примесное поглощение используют только в некоторых случаях – для расширения спектральной характеристики в длинноволновую область.

Возможные переходы в полупроводниковом кристалле под действием света.

Зависимость в зоне прово-

димости.

При поглощении электроном фотона должны выполняться законы сохранения энергии и импульса, поэтому более полно процесс поглощения света описывается с помощью диаграммы, учитывающей изменение энергии и импульса р. На рисунке 2 изображена зависимость энергии электрона от импульса р в зоне проводимости (вверху) и энергии дырки от р (внизу). Сплошная линия соответствует полупроводнику, у которого минимумы энергии электрона и дырки (она увеличивается вниз на рисунке) приходятся на одно и то же значение импульса (это так называемые прямые зоны). В наиболее простом случае кинетическая энергия электрона связана с импульсом соотношением

, (4)

поэтому кривые на рисунке 2 являются параболами. Отсюда название: “параболические зоны”.

Стрелки 2 изображают “прямые переходы” электрона, происходят без изменения импульса.

При этом импульс фотона

(5)

очень мал, и соответствующим приращением импульса электрона можно пренебречь.

Переход 2’ является «непрямым» и происходит с изменением импульса электрона. При этом в процессе поглощения фотона участвует третья частица – фонон. Фононы – это кванты колебательной энергии кристалла.

В случае материалов с прямыми зонами преобладают прямые переходы, не требующие участия третьей частицы. К веществам, обладающими прямыми зонами, относятся такие используемые в оптоэлектронике материалы, как арсенид галия GaAs ( = 1,4 эВ); селенид кадмия CdSe ( = 1,8 эВ); сульфид кадмия CdS ( = 2,5 эВ); сульфид цинка ZnS ( = 3,7 эВ) и др.

Может осуществляться случай, когда экстремумы энергий электронов и дырок на диаграмме (р) приходятся на разные р (штриховая линия на рисунке 2). Теперь переходы при наименьшей энергии фотонов возможны только непрямые (переходы 2’’). При более высоких энергиях фотонов сохраняется возможность прямых переходов 2. К материалам с непрямыми зонами относятся германий Ge ( = 0,7 эВ); кремний Si ( = 1,1 эВ); арсенид алюминия AlAs ( =2,2 эВ); фосфид галия GaP ( = 2,3 эВ) карбид кремния SiC различных политипов ( = 2,4 – 3,1 эВ).