Фотопроводимость

Фотопроводимость — это изменение электрической проводимости полупроводника под действием освещения. Данный эффект является следствием генерации в веществе дополнительных носителей заряда (электронов и дырок) при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны. В основе явления лежат процессы межзонного перехода, рекомбинации и транспорта носителей.

Особенность фотопроводимости заключается в том, что она является вторичным фотоэффектом: падающий фотон не вызывает напрямую электрический ток, а лишь увеличивает число свободных носителей, которые могут участвовать в проводимости при приложении внешнего электрического поля.

Механизм возникновения

Поглощение фотонов При попадании света на полупроводник фотоны с энергией hν ≥ E_g (где E_g — ширина запрещённой зоны) возбуждают электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом возникают электронно-дырочные пары.
Увеличение концентрации носителей Концентрация свободных носителей возрастает:

n = n₀ + Δn, p = p₀ + Δp,

где n₀, p₀ — равновесные концентрации, а Δn, Δp — избыточные носители, созданные светом.
Влияние на проводимость Проводимость полупроводника описывается выражением

σ = q(nμ_n + pμ_p),

где μ_n, μ_p — подвижности электронов и дырок. При освещении вклад от Δn и Δp приводит к росту σ, что и проявляется в виде фотопроводимости.
Рекомбинация носителей Генерация носителей под действием света уравновешивается процессами рекомбинации. Установившееся значение фотопроводимости определяется балансом генерации и рекомбинации.

Виды фотопроводимости

Собственная фотопроводимость Наблюдается в чистых полупроводниках при межзонных переходах. Эффективна при высокой энергии фотонов, когда они могут возбуждать носителей непосредственно через запрещённую зону.
Примесная фотопроводимость Возникает в легированных полупроводниках, когда энергия фотонов достаточна для ионизации донорных или акцепторных уровней, находящихся вблизи краёв запрещённой зоны. В этом случае свет меньшей энергии, чем E_g, также способен вызывать фотопроводимость.
Смешанная фотопроводимость Реализуется, когда одновременно действуют механизмы межзонного и примесного поглощения.

Спектральные характеристики

Фотопроводимость зависит от длины волны падающего света. Спектральная зависимость фототока отражает структуру энергетических уровней в полупроводнике.

При низких энергиях фотонов (hν < E_g) фотопроводимость отсутствует в чистом полупроводнике, но возможна в легированном за счёт примесных переходов.
При hν ≈ E_g возникает резкий рост фотопроводимости, соответствующий началу межзонного поглощения.
При ещё более высоких энергиях наблюдаются особенности, связанные с тонкой структурой зонного спектра (например, переходы из разных подзон валентной зоны).

Временные характеристики

Фотопроводимость не только спектрально, но и временно зависит от освещения.

Включение света вызывает быстрый рост проводимости за счёт генерации носителей. Время установления определяется временем жизни носителей и скоростью генерации.
Выключение света приводит к постепенному спаданию фотопроводимости, что связано с процессами рекомбинации. Закон спада может быть экспоненциальным или более сложным, если участвуют ловушки и дефекты.

Время жизни носителей (τ) является ключевым параметром, влияющим на амплитуду и динамику фотопроводимости. Чем дольше носители сохраняются до рекомбинации, тем выше фоточувствительность материала.

Ловушки и примеси

Реальная фотопроводимость сильно зависит от наличия в кристалле ловушек — локализованных энергетических уровней в запрещённой зоне.

Ловушки задерживают носителей и изменяют эффективное время жизни.
При захвате и последующем высвобождении носителей возникает явление фотопроводимости с памятью, когда проводимость сохраняется некоторое время после прекращения освещения.

Такие эффекты важны для практических приложений, так как они определяют быстродействие фотодетекторов.

Насыщение фотопроводимости

При больших интенсивностях освещения фотопроводимость перестаёт расти пропорционально световому потоку. Это связано с насыщением числа доступных состояний и ограниченностью скорости рекомбинации. Таким образом, зависимость фототока от интенсивности света носит нелинейный характер.

Экспериментальное изучение

Фотопроводимость измеряется в эксперименте как изменение тока через образец при освещении. Для этого образец помещают в электрическую цепь, прикладывают постоянное напряжение и регистрируют изменение тока при разных длинах волн и интенсивностях света.

Метод спектральной фотопроводимости является одним из ключевых способов изучения зонной структуры и примесных уровней полупроводников. Он позволяет:

определять ширину запрещённой зоны,
находить положение донорных и акцепторных уровней,
измерять время жизни и подвижность носителей,
исследовать влияние дефектов и примесей.

Практическое значение

Эффект фотопроводимости широко используется в полупроводниковой электронике и оптоэлектронике:

Фотосопротивления — детекторы света, работа которых основана на изменении сопротивления при освещении;
Системы ночного видения и автоматического освещения;
Спектроскопия и диагностика материалов через спектры фотопроводимости;
Лазерные и солнечные технологии, где фотопроводимость играет роль в процессах преобразования энергии.

Фотопроводимость является фундаментальным эффектом, демонстрирующим взаимодействие электромагнитного излучения с носителями заряда в полупроводниках и раскрывающим физические механизмы генерации и рекомбинации.