4.1.   Фотопроводимость

При освещении полупроводника в нем возможно перераспреде­ление электронов по энергетическим состояниям и увеличение кон­центрации носителей заряда. Это явление называют внутренним фотоэффектом. Рассмотрим механизмы генерации носителей заря­да. Под действием света электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости. В процессе взаимодействия фотона с электроном энергия фотона целиком передается электрону. По­скольку для перехода электрона из валентной зоны в зону прово­димости необходимо сообщить ему энергию, равную или большую энергии запрещенной зоны (Е₃), то энергия фотона (hv) должна быть рав­ной или большей Е₃. Энергия фотона передается электрону в виде кинетической энергии.

Механизм возникновения в полупроводнике в результате оптического возбуждения равного числа носителей заря­дов обоих знаков называют биполярной световой генерацией. В по­лупроводнике n-типа возможен, переход электронов с примесных уровней в зону проводимости. Энергия фотона в этом случае:

,

где  – энергия ионизации примесных атомов. В полупроводнике р-типа фотоны возбуждают переходы электронов из валентной зоны на уровень акцепторов. И в этом случае энергия фотона  (рис. 4.1).

Возникновение в полу­проводнике в результате оптического возбуждения неравновесных носителей заряда одного знака называют монополярной световой генерацией. Носители, возбуждаемые светом, называют фотоносите­лями. Их концентрация зависит от интенсивности и частоты излу­чения. Изменение электрического сопротивления полупроводника под действием оптического излучения называют фоторезистивным эффектом. Электропроводность полупроводника, обусловленная фоторезистивным эффектом, называют фотопроводимостью.

Полная электропроводность полупроводника складывается из темновой (σ_т), осуществляемой равновесными носителями заряда, и фо­топроводимости (σ_ф):

.

Роль фотопроводимости в общей электропроводности тем боль­ше, чем ниже температура, т.е. чем ниже темновая электропровод­ность. Носители заряда, возбужденные фотонами в зоне проводи­мости, могут иметь большую энергию, чем равновесные носители. В этом случае фотоносители располагаются на более высоких энер­гетических уровнях зоны проводимости, чем равновесные. В тече­ние очень малого промежутка времени (10 ^–10 – 10 ^-12 с) за счет взаимодействия с решеткой фотоносители передают ей свою избы­точную энергию и переходят на свободные нижние уровни зоны проводимости. Подвижность неравновесных носителей такая же, как у равновесных. Можно, следовательно, написать:

,

где  и  – концентрации фотоно­сителей.

Рассмотрим полупроводниковую пластину с равновесной кон­центрацией носителей заряда . Если такую пластину осветить прямоугольным импульсом света Ф (рис.4.2), то стационарное зна­чение фотопроводимости будет достигнуто не сразу, а через неко­торое время от начала освещения. Под действием света скорость генерации носителей заряда возрастает. Увеличение концентрации носителей приводит к повышению скорости рекомбинации. Посколь­ку скорость генерации при постоянной интенсивности излучения не меняется, то через некоторое время скорость рекомбинации станет равной скорости генерации, и в полупроводнике установится ста­ционарная фотопроводимость.

Рис. 4.2. Изменение кон­центрации носителей за­ряда в полупроводнике n при освещении его пря­моугольным импульсом света Ф 1

Изменение концентрации носителей заряда в процессе генера­ции находим, дифференцируя концентрацию фотоносителей по в
ре­мени:

.

Число рекомбинирующих в единицу времени носите­лей определяется концентрацией фотоносителей и временем их жизни ():

.

Если g – количество электронов, генерируемых све­том в единицу времени, то изменение концентрации носителей за­ряда в состоянии равновесия будет описываться следующим кине­тическим уравнением:

.

Интегрируя это выражение, получаем:

,

где .

Изменение концентрации носителей заряда при освещении под­чиняется экспоненциальному закону с постоянной времени, равной времени жизни неравновесных носителей заряда.

После прекращения освещения неравновесные носители рекомбинируют, и их концентрация уменьшается вплоть до того момен­та, когда в полупроводнике установится равновесное состояние. Кинетическое уравнение приобретает вид:

.

Решением его будет выражение:

.

Концентрация неравновесных носителей заряда уменьшается по экспоненциальному закону. За время, равное времени жизни но­сителей, концентрация неравновесных носителей уменьшится в е раз.

Изменение концентрации фотоносителей ведет к изменению фотопроводимости:

.

Подставляя в это выражение значение , получим:

.

Отсюда можно сделать вывод, что закон изменения фотопрово­димости такой же, как и для изменения концентрации фотоноси­телей.

На основе фоторезистивного эффекта созданы полупроводниковые приборы – фоторезисторы, получившие широкое распростране­ние в автоматических устройствах сигнализации, регулирования, защиты, а также в фото- и киноаппаратуре.