Фотопроводимость

Реферат

по дисциплине «Физика твердого тела» 

На тему  

« Фотопроводимость » 
 
 
 
 
 
 
 

         Выполнил:

    Заочное отделение

  Преподаватель: 
 
 
 

Санкт-Петербург 

    Введение 

    Фотопроводимость - процесс возбуждения электронов электросветочувствительного материала квантами электромагнитного излучения - фотонами. Освобождение электронов имеет своим следствием то, что материал получает некоторую добавочную электропроводность, называемую фотопроводимостью. Сам материал, обладающий фотопроводимостью, нередко называют фотополупроводником. Физический процесс внутреннего освобождения электронов под действием света носит название внутреннего фотоэффекта. 

    Фотопроводимость, как и многие другие выдающиеся открытия, была обнаружена случайно. В 1873 г. английский электротехник Уиллогби Смит производил испытания подводного кабеля. Для какой-то цели ему понадобился материал, обладающий высоким сопротивлением. Был выбран селен - химический элемент VI группы периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907). Элемент этот был открыт в 1817 году знаменитым шведским химиком Иенсом Якобом Берцелиусом (1779-1848).

    Во время  экспериментов, проводимых Уиллогби Смитом и его ассистентом Меем было обнаружено, что на свету электропроводность селена возрастает.

    Впоследствии  было установлено, что фотопроводимостью  обладают многие вещества. Первые попытки  практического применения этого  явления были предприняты в конце XIX столетия. Однако более или менее  широкое внедрение фотополупроводников  в народное хозяйство началось лишь в середине XX в.

    Основной  областью практического применения фотопроводимости стала фотоэлектронная  автоматика. Фотополупроводники в виде фотосопротивлений начали широко использоваться при автоматизации производственных процессов для контролирования  правильности и последовательности проведения отдельных операций, для  своевременной сигнализации о характере  проведения производственного процесса, для сортировки изделий по их размеру  и окраске и т.д. Внешний и  внутренний фотоэффект использовались и для записи звука.

    Применение  фотоэлектрических устройств для развертки изображений позволило осуществить в 1950-х годах передачу изображений на расстояние, автоматическое цветоделение и цветокоррекцию, а также фотоэлектрическое изготовление печатных форм. Отсюда уже недалеко до электрофотографии, в которой осуществляется фотоэлектрическое воспроизведение не отдельных строк развертки, а сразу всего изображения.

    Фотопроводимость полупроводников - увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения - может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае, при поглощении фотонов, соответствующих собственной полосе поглощения полупроводника, т. е. когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (ћν >ΔE), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис.1а), что приводит к появлению добавочных (неравновесных) электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная как электронами, так и дырками.

    Обратный  процесс есть прямая рекомбинация свободный  электрон – свободная дырка. 

    Рис. 1  

    Если  полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать  и при ћν <ΔE: для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией ћν >ΔE_D, а для полупроводников с акцепторной примесью - ћν >ΔE_А. При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n-типа (рис.1 б) или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (рис.1 в). В результате возникает примесная монополярная фотопроводимость, являющаяся чисто электронной для полупроводников n-типа и чисто дырочной для полупроводников р-типа. При достаточном увеличении ћν фотопроводимость становится биполярной.

    Для каждого  полупроводника существует красная граница фотопроводимости, т.е. максимальная длинна волны, при которой свет является еще фотоэлектрически активным: 

    λ =

    Для чистых полупроводников энергия активации E лежит в пределах 1-3 эВ. Для них красная граница фотопроводимости приходится на видимую часть спектра. Многие примесные полупроводники имеют E порядка десятых и даже сотых долей электроно-вольтов. Красная граница фотопроводимости для них лежит в инфракрасной области спектра. 

    На рис.2 представлена схематическая кривая зависимости коэффициента поглощения света γ от длинны световой волны λ для полупроводника имеющего два примесных уровня.  

    Рис. 2

    Спектр  поглощения такого полупроводника имеет  три полосы поглощения – полосу собственного поглощения 1, отвечающую перебросу электронов под действием света из валентной зоны в зону проводимости, и две полосы (2 и 3) примесного поглощения. Они отвечают перебросу электронов с примесных уровней в зону проводимости.

    Свет  с длинной волны λ < λ₀ = практически полностью поглощается у самой поверхности в слое толщиной x ≈ 10^-6 м; коэффициент поглощения для него γ ≈ 10⁶ м^-1. Коэффициент примесного поглощения зависит от концентрации примесных спектров, но обычно намного превышает величину γ = 10³ м^-1. Чем меньше энергия активации примеси, тем больше граничная длинна волны примесной проводимости. 

    Примесный фотоэффект возможен, очевидно, лишь в том случае, если примесные уровни заполнены электронами, т.е. если полупроводник находится при температуре ниже температуры истощения примеси Т_э. Поэтому для наблюдения примесной фотопроводимости полупроводники необходимо, как правило, охлаждать, причем до тем более низких температур, чем больше их граничная длинна волны. Так, германий, легированный золотом, имеет λ_п = 9 мкм и требует охлаждения жидким азотом ( Т = 78 К); германий же легированный примесями III или V групп таблицы Менделеева, имеет λп = 100 мкм и требует охлаждения жидким гелием (Т = 4,2 К). 

    Оптическая  генерация электронов и дырок обязательно сопровождается дополнительным поглощением света. Целесообразно различать собственное поглощение света, наблюдаемое при ћω >ΔE и связанное с электронными переходами зона-зона и образованием пар, и примесное поглощение, связанное с возбуждением электронов и дырок с примесных уровней в зоны. Поглощение в собственной полосе частот обычно на много порядков больше поглощения в примесной области.

    Темп  оптической генерации связан с коэффициентом  поглощения света. Пусть I(x) есть монохроматический световой поток, рассчитанный на единицу поверхности, на расстоянии x от освещаемой поверхности полупроводника (эту велечину мы будем называть интенсивностью света и измерять числом фотонов, проходящих через единицу поверхности в единицу времени, а γ – коэффициент  поглощения (интенсивности) света. Тогда число фотонов, поглощаемых в единицу времени в слое с единичной площадью, расположенном между плоскостями x и x + dx, есть –dI = I(x) ∙ γdx. А следовательно, число поглощенных фотонов, рассчитанное на единицу времени и единицу объема, равно I(x) ∙ γ. Поэтому темп оптической генерации g можно представить в виде: 
 
 

    Здесь β – квантовый выход внутреннего фотоэффекта, равный числу носителей (или – в случае собственной генерации – числу пар носителей), рождаемых в среднем одним поглощенным фотоном. Квантовый выход может быть большим единицы, если при поглощении одного фотона высокой энергии возникает две или более электронно-дырочных пар. Обычно, однако, квантовый выход меньше единицы, поскольку часть фотонов поглощается либо непосредственно при взаимодействии с колебаниями решетки, либо свободными носителями заряда в зонах без образования новых электронов и дырок.

    В общем  случае g различно в разных точках полупроводника (неоднородная генерация). Однако если γd 1 (где d – толщина пластинки), то  I(x) const  (слабо поглощаемый свет) и g можно считать постоянным по объему (однородная генерация).

    Изменение проводимости полупроводника обусловлено тем, что при освещении изменяются как концентрации электронов и дырок, так и их подвижности. Однако относительное влияние обеих этих причин может быть весьма различным. Действительно, возникающая в результате поглощения фотона пара электрон-дырка получает некоторый квазиимпульс и энергию (ћν- E). Пусть, для простоты, энергия передается только из фотоносителей, скажем электрону (что имеет место при сильном отличии масс m_n и m_p). Эта избыточная энергия затем растрачивается в следствие взаимодействия фотоэлектрона с решеткой, и через некоторое время, порядка времени релаксации энергии τ_E, средняя энергия фотоэлектронов принимает значение, соответствующее температуре решетки. Аналогично, равновесное распределение квазиимпульса фотоэлектронов устанавливается за время порядка времени релаксации импульса  τ_P (причем обычно τ_P τ_E).

    Если τ_P T_n, где T_n -время существования фотоэлектрона в зоне, то фотоэлектроны успевают «термолизоваться», т.е. приобрести такое же распределение по энергиям и квазиимпульсам, как и равновесные электроны. В этом случае подвижности не изменяются, а фотопроводимость обусловлена только изменением концентрации электронов и дырок и равна: 
 
 

    Если, напротив, τ_P T_n, то за время своего существования фотоэлектроны не успевают термолизоваться и при освещении изменяются и концентрации фотоносителей, и их подвижности.

    Влияние изменения подвижности проявляется  обычно лишь при низких температурах (как правило при водородных или гелиевых). 

    При отсутствии рекомбинации число избыточных носителей  непрерывно возрастало бы с течением времени. Вследствие же рекомбинации, скорость которой растет с увеличением концентрации избыточных носителей, в полупроводнике устанавливается стационарное состояние, при котором скорость генерации равна скорости их рекомбинации: