Фотопроводимость

Основные понятия

Фотопроводимость — это явление изменения электропроводности полупроводников под действием света. При освещении полупроводника фотонами с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, возникают электронно-дырочные пары, что приводит к увеличению числа носителей заряда и, соответственно, к росту проводимости материала.

Ключевой параметр, определяющий фотопроводимость, — ширина запрещённой зоны (Eg). Если энергия фотона hν меньше E_g, генерация носителей заряда невозможна в основном объёме материала, и фотопроводимость наблюдается только при наличии локальных состояний в запрещённой зоне (например, при примесях или дефектах кристаллической решётки).

Механизм возникновения фотопроводимости

1. Поглощение фотона При попадании фотона с энергией hν ≥ E_g на полупроводник происходит переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. Образуется свободный электрон и дырка.

2. Рекомбинация носителей заряда Электрон и дырка могут рекомбинировать с выделением энергии в виде тепла или света. Время жизни носителей τ определяет характер фотопроводимости. Чем больше τ, тем выше вероятность того, что носители участвуют в электрическом токе до рекомбинации.

3. Изменение проводимости Возросшее число носителей заряда увеличивает проводимость материала по закону:

   σ = q(nμ_n + pμ_p)

   где n и p — концентрации электронов и дырок, μ_n и μ_p — их подвижности, q — элементарный заряд.

Типы фотопроводимости

Фотопроводимость разделяется на несколько категорий в зависимости от механизма генерации носителей:

1. Прямая фотопроводимость Возникает при прямом переходе электронов из валентной зоны в зону проводимости. Характерна для чистых (собственных) полупроводников.

2. Донорная и акцепторная фотопроводимость Проявляется в легированных полупроводниках. Поглощение фотона может выводить электрон с уровня примеси в зону проводимости (донорная) или захватывать электрон из валентной зоны (акцепторная).

3. Поверхностная фотопроводимость Связана с наличием поверхностных состояний или пленок. Фотон вызывает переходы электронов между поверхностными уровнями и зоной проводимости. Этот тип фотопроводимости используется в фоточувствительных устройствах, таких как фотодетекторы и фотоприёмники.

Временные характеристики фотопроводимости

Временная зависимость фотопроводимости описывается дифференциальным уравнением:

$$ \frac{dn}{dt} = G - \frac{n}{\tau} $$

где G — скорость генерации носителей под действием света, n — концентрация фотонно-индуцированных носителей, τ — их среднее время жизни.

Решение уравнения при постоянной освещённости:

n(t) = Gτ(1 − e^−t/τ)

При выключении света концентрация носителей экспоненциально спадает:

n(t) = n₀e^−t/τ

Зависимость фотопроводимости от интенсивности и длины волны света

1. Интенсивность света При низкой интенсивности фотонного потока прирост фотопроводимости линейно пропорционален интенсивности света. При высоких интенсивностях возникает насыщение, связанное с ограниченной подвижностью носителей и рекомбинацией.

2. Длина волны света Фотопроводимость проявляется только при длинах волн λ ≤ λ_g, где $\lambda_g = \frac{hc}{E_g}$. Для длин волн больше пороговой поглощение не происходит, и фотопроводимость отсутствует.

Фотопроводимость в реальных материалах

• Собственные полупроводники (Si, Ge) Проявляют прямую фотопроводимость. Их чувствительность ограничена шириной запрещённой зоны.

• Примесные полупроводники (CdS, PbS) Активны в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне за счёт уровней примесей и дефектов.

• Аморфные и органические полупроводники Часто имеют большое количество локальных состояний, что увеличивает время жизни носителей и приводит к явлению удлинённой фотопроводимости, когда ток сохраняется длительное время после выключения света.

Применение фотопроводимости

Фотопроводимость лежит в основе работы множества приборов:

• Фотодетекторы и фотоприёмники — преобразуют световой сигнал в электрический.
• Фотоэлементы — солнечные батареи, использующие генерацию носителей под действием солнечного света.
• Оптоэлектронные сенсоры — используются в системах автоматики и безопасности.
• Изучение свойств материалов — фотопроводимость позволяет определять ширину запрещённой зоны, концентрацию примесей и рекомбинационные характеристики.

Особенности нелинейной фотопроводимости

При высоких уровнях освещённости фотопроводимость становится нелинейной из-за насыщения носителей и влияния рекомбинации через локальные состояния. В ряде случаев наблюдается пороговая фотопроводимость, когда материал начинает проводить ток только после достижения определённого уровня интенсивности света.