4.2.   Спектр поглощения полупроводников. Квантовый выход

Если при поглощении полупроводником кванта оптического излучения электрон переходит из валентной зоны в зону проводи­мости, то поглощение называют собственным. Если под действием оптического излучения электрон переходит с примесных уровней донорной примеси в зону проводимости или из валентной зоны на примесный уровень акцепторной примеси, то поглощение называют примесным. Из-за процессов поглощения интенсивность падающего на поверхность кристалла излучения бу­дет уменьшаться.

Количество поглощенной энергии (dI) будет про­порционально интенсивности падающего излучения (I) и толщине слоя поглощения (dx):

.                      (4.1).

Это выражение удобнее записать в такой форме:

,

где  – коэффициент пропорциональ­ности, показывающий скорость изменения интенсивности светового потока при прохождении его через полупроводник и называемый коэффициентом поглощения света.

При dx =1, , т.е. коэф­фициент поглощения численно равен относительному изменению интенсивности излучения на единице длины. Интегрируя выражение (4.1),  получаем:

,

где  – начальная интенсивность излучения.

Чем больше коэффициент поглощения, тем сильнее полупровод­ник поглощает свет. Коэффициент поглощения зависит от частоты излучения. Зависимость этого коэффициента от энергии или длины волны падающего света называют спектром поглощения.

Спектр поглощения полупроводников состоит из области собст­венного поглощения и области примесного поглощения (рис. 4.3). Собственная полоса поглощения простирается от

очень малых длин волн и имеет четко выраженную границу. Эта граница соответст­вует минимальной энергии фотона, который может перевести элект­рон из валентной зоны в зону проводимости, и называется красной границей фотоэффекта. Длина волны, соответствующая красной границе, определяется по формуле:

.

При собственном поглощении для полупроводника с прямыми долинами при вертикальных переходах энергия фотона  должна быть не меньше ширины запрещенной зоны, то есть

.

Для сильно легированного полупроводника n-типа когда уровень Ферми расположен выше края зоны проводимости на величину , нижняя граница фотопроводимости будет соответствовать:

.

В сильно легированном полупроводнике p-типа уровень Ферми лежит на величину  ниже края валентной зоны, поэтому

.

Переход электронов может происходить с лю­бых уровней валентной зоны на любые уровни зоны проводимости. Кроме того, переходить могут электроны и из более глубоких за­полненных зон. Поэтому область собственного поглощения имеет довольно широкий диапазон частот. Фотопроводимость, однако, наблюдается только вблизи красной границы.

Сначала с ростом частоты излучения фотопроводимость возрастает за счет увеличения коэффициента поглощения (в этой области он может дости­гать значений порядка 10⁴ – 10⁷ см^-1), но с увеличением коэффици­ента поглощения все большее количество фотонов поглощается в тонком приповерхностном слое полупроводника. Концентрация фо­тоносителей в этом слое резко увеличивается, что приводит к росту скорости поверхностной рекомбинации и уменьшению времени жиз­ни носителей заряда. Постепенно практически все фотоносители рекомбинируют, и фотопроводимость исчезает.

Для реализации переходов электронов п