Оптическая генерация носителей

Основные механизмы

Оптическая генерация носителей заряда в полупроводниках связана с процессами поглощения света и переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости. При поглощении фотона с энергией, превышающей или равной ширине запрещённой зоны E_g, электрон получает возможность преодолеть энергетический барьер и перейти в зону проводимости, оставляя за собой дырку в валентной зоне. Таким образом образуется пара электрон–дырка.

Вероятность поглощения фотона зависит от энергетической структуры полупроводника, плотности состояний в зонах и коэффициента поглощения материала. Величина коэффициента поглощения α(ℏω) определяется как функция энергии фотона ℏω и показывает интенсивность ослабления светового потока при прохождении через вещество.

Прямозонные и непрямозонные полупроводники

Характер оптических переходов существенно зависит от типа запрещённой зоны.

Прямозонные полупроводники (GaAs, InP): электронные переходы происходят без участия фононов, так как минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны совпадают по волновому вектору. Это обеспечивает высокую вероятность оптической генерации при энергиях фотонов, близких к E_g.
Непрямозонные полупроводники (Si, Ge): для перехода электрона требуется участие фонона, который компенсирует разность волновых векторов. Вероятность таких переходов ниже, поэтому коэффициент поглощения вблизи края зоны значительно меньше, чем в прямозонных материалах.

Зависимость от энергии фотона

Если ℏω < E_g, фотон не может создать электрон–дырочную пару, но может вызвать другие процессы — например, возбуждение локализованных уровней примесей или фотовозбуждение колебаний решётки. При ℏω ≈ E_g наблюдается резкий рост коэффициента поглощения. Для энергий, значительно превышающих E_g, возможна ионизация глубоких уровней примесей и генерация горячих носителей с избыточной энергией.

Коэффициент генерации носителей

Плотность пар, генерируемых за единицу времени в объёме полупроводника, описывается выражением:

G(x) = αI₀e^−αx/ℏω,

где

I₀ — интенсивность падающего светового потока,
α — коэффициент поглощения,
x — глубина проникновения в материал,
ℏω — энергия фотона.

Таким образом, распределение сгенерированных носителей по глубине носит экспоненциальный характер: максимальная генерация происходит вблизи поверхности.

Влияние рекомбинации

Сразу после оптической генерации начинается процесс рекомбинации электронов и дырок. Время жизни носителей τ определяет, насколько эффективно свет может изменить концентрацию свободных зарядов. При большом τ концентрация носителей существенно возрастает, обеспечивая заметное изменение проводимости и других электрических характеристик полупроводника.

Эффекты при высоких уровнях освещённости

При интенсивном освещении возникает режим высокой генерации, когда концентрация неравновесных носителей становится сравнимой или даже превышает равновесную концентрацию. В этом случае:

проявляются нелинейные зависимости между интенсивностью света и фототоком;
изменяются времена жизни носителей из-за процессов рекомбинации насыщения;
возможен эффект фотовозбуждённого разогрева носителей, когда избыточная энергия переходит в тепловую.

Фотогенерация в присутствии примесей и дефектов

Примесные атомы и дефекты играют ключевую роль в процессах оптической генерации. Они могут:

создавать дополнительные энергетические уровни внутри запрещённой зоны, которые участвуют в переходах;
усиливать генерацию при ℏω < E_g, обеспечивая поглощение субзонных фотонов;
одновременно ускорять рекомбинацию за счёт образования центров захвата.

Пространственно-зарядовые области и фотогенерация

Особенно важна оптическая генерация в p–n-переходах. При освещении области перехода пары электрон–дырка разделяются внутренним электрическим полем: электроны уносятся в n-область, а дырки в p-область. Это лежит в основе работы фотодиодов, солнечных элементов и светочувствительных транзисторов. Величина фототока определяется не только интенсивностью генерации, но и эффективностью разделения носителей полем перехода.

Квантовый выход генерации

Важнейшая характеристика — квантовый выход η, показывающий долю поглощённых фотонов, приведших к генерации свободных носителей. В идеальных прямозонных полупроводниках η ≈ 1 при энергиях фотонов, равных или немного превышающих E_g. В реальных материалах квантовый выход может снижаться из-за процессов безызлучательной рекомбинации и отражения света от поверхности.

Практические аспекты

Оптическая генерация лежит в основе работы множества приборов:

фотодиодов, где создаётся фототок пропорционально интенсивности света;
солнечных батарей, преобразующих световую энергию в электрическую;
фотосопротивлений, где изменяется проводимость при освещении;
лазерных структур, в которых оптическая генерация используется для накачки и стимулированного излучения.

Эффективность приборов определяется комбинацией параметров: шириной запрещённой зоны, коэффициентом поглощения, временем жизни носителей и качеством поверхности материала.