Теоретичні відомості. Суттєва різниця електронного спектра металів і напівпровідників, що описана раніше, визначає специфіку поглинання світла напівпровідникамиСуттєва різниця електронного спектра металів і напівпровідників, що описана раніше, визначає специфіку поглинання світла напівпровідниками. Розглянемо власний напівпровідник із шириною забороненої зони Eg, енергетична діаграма якого показана на рис. 8.3.1.
Рис. 8.3.1 Тут Еv — верхній енергетичний рівень заповненої валентної зони. Ев —нижній енергетичний рівень вільної зони або зони провідності. ЕF — рівень Фермі Очевидно, що Eg=Eв-Ev. При Т¹ 0 в зоні провідності є деяка кількість вільних електронів, а у валентній зоні — така ж кількість дірок. Нехай на зразок падає світло частотою v. Енергія його квантів Eg=hv. Якщо Eg< Eg, то кванти світла поглинаються як електронами, так і дірками. Таке поглинання носить назву поглинання вільними носіями. Оскільки ширина забороненої зони велика в порівнянні з тепловою енергією кТ, то концентрація вільних носіїв мала, що обумовлює також малу інтенсивність поглинання. У цьому випадку більш суттєвим є відбиття світла. Із зростанням частоти стає можливим ще один механізм ослаблення інтенсивності світла, а саме, при енергіях квантів hv> Eg фотон поглинається електроном, який знаходиться у валентній зоні. Це супроводжується переходом електронів у зону провідності і називається внутрішнім фотоефектом. В результаті внутрішнього фотоефекту концентрація вільних носіїв зростає. А оскільки питома електропровідність пропорційна концентрації носіїв, то внутрішній фотоефект викликає зростання електропровідності. Збільшення електропровідності під дією світла носить назву фотопровідності. У власних напівпровідниках фотопровідність має біполярний характер, тобто поглинання світла приводить до появи електронів в зоні провідності і рівної їм кількості дірок у валентній зоні. Можлива також монополярна фотопровідність. Розглянемо домішковий напівпровідник, енергетична діаграма якого зображена на рис. 8.2.2, де Еd – домішковий донорний рівень, розташований у верхній половині забороненої зони. При hv³ Eв-Ed поглинання фотона приводить до збудження електрона, зв'язаного з домішкою, та перехід його в зону провідності. Якщо частота задовольняє умову hv³ Ed-Ev, то енергії фотонів не вистачає для збудження електронів з валентної зони на домішковий рівень. Таким чином, при Ed-Ev³ hv³ Eв-Ed генерується певна кількість вільних носіїв одного знаку — електронів, а фотопровідність має монополярний характер. Очевидно, що при hv³ Ed-Ev генеруються як електрони провідності, так і дірки, тоді домішкова фотопровідність буде біполярна. Аналогічні міркування можна провести також і для акцепторного напівпровідника. Поряд з генерацією носіїв квантами світла відбувається і зворотний процес, тобто перехід електронів у валентну зону, що називається рекомбінацією. Розрізняють кілька механізмів рекомбінації. Оскільки рекомбінація визначає суттєві прикмети фотопровідності, слід враховувати дві найважливіші з них: 1. Пряма рекомбінація або рекомбінаційна зона — зона, при якій з'єднання електрона з діркою відбуваються завдяки переходові електрона із зони провідності в пустий стан валентної зони. При цьому надлишок енергії електрон розсіює, здебільшого випромінюючи фотон.
Рис. 8.3.2 2. Рекомбінація за участю домішок і дефектів. У цьому випадку вільні електрони рекомбінують із зв'язаними дірками на домішках і дефектах, а вільні дірки — із зв'язаними електронами. У результаті процесів фотогенерації та рекомбінації в зразку при неперервному освітленні встановлюється стабільне значення концентрації нерівноважних носіїв, яке й є фотопровідністю. У даній роботі вивчаються фотоелектричні явища в напівпровідниках на прикладі фотоопору. Будова фотоопору та принцип дії показані на рис. 8.3.3 де 1 - ізолююча підкладка, 2 - фоточутливий шар напівпровідникового матеріалу (здебільшого PbS, CdS, CaAs), 3 - металеві контакти.
Рис. 8.3.3 При опроміненні шару напівпровідника світлом завдяки внутрішньому фотоефекті опір зразка зменшується, а струм у колі відповідно зростає. Ця властивість фотоопорів обумовлює їх широке застосування в схемах автоматики як приймачів, так і датчиків випромінювання.
|
