Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект представляет собой генерацию носителей заряда в полупроводнике под действием поглощённого света, когда кванты электромагнитного излучения возбуждают электроны из валентной зоны в зону проводимости. Этот процесс лежит в основе целого ряда оптоэлектронных явлений и приборов, включая фотодиоды, солнечные элементы и фотопроводящие устройства.

Физическая сущность явления

При облучении полупроводника фотонами с энергией hν, превышающей или равной ширине запрещённой зоны Eg, возможен межзонный переход: электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, а на его месте образуется дырка. Таким образом, под действием света происходит увеличение концентрации свободных носителей заряда: электронов и дырок.

Основное условие проявления внутреннего фотоэффекта:

hν ≥ Eg

где h — постоянная Планка, ν — частота излучения, Eg — ширина запрещённой зоны.

Если энергия фотона меньше Eg, прямое возбуждение через межзонный переход невозможно, однако возможны косвенные переходы с участием фононов в полупроводниках с непрямой зонной структурой (например, в кремнии).

Поглощение света в полупроводниках

Коэффициент поглощения α(ν) зависит от частоты излучения и от характера зоны (прямая или непрямая).

  • Прямозонные полупроводники (GaAs, InP) характеризуются резким возрастанием коэффициента поглощения при частотах выше пороговой.
  • Непрямозонные полупроводники (Si, Ge) требуют для перехода дополнительного взаимодействия с фононами, что приводит к более плавному увеличению α при частотах, соответствующих краю зоны.

Интенсивность света в веществе убывает по закону:

I(x) = I0e−αx

где I0 — начальная интенсивность излучения, x — глубина проникновения.

Таким образом, образование электронно-дырочных пар преимущественно происходит в приповерхностном слое полупроводника, толщина которого определяется длиной проникновения света α−1.

Динамика фотогенерации и рекомбинации

После возбуждения электронов в зоне проводимости возникает неравновесная концентрация носителей заряда. Ее эволюция определяется балансом процессов:

  1. Генерация носителей под действием излучения с интенсивностью G, измеряемой в парах электрон–дырка на единицу объёма в секунду.
  2. Рекомбинация – обратный процесс, при котором электрон из зоны проводимости переходит в валентную зону, уничтожая дырку.

Рекомбинация может происходить различными путями:

  • Радиативная рекомбинация с испусканием фотона.
  • Нерадиативная рекомбинация через примесные уровни или дефекты решётки (Shockley–Read–Hall механизм).
  • Оже-рекомбинация, когда энергия отдаётся другому электрону или дырке.

Уравнение баланса концентрации неравновесных носителей:

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

где τ — среднее время жизни носителей, n — избыточная концентрация электронов (или дырок).

В стационарном режиме:

n = Gτ

Спектральная зависимость внутреннего фотоэффекта

Эффективность генерации носителей определяется спектральной характеристикой полупроводника:

  • При $\lambda > \lambda_g = \frac{hc}{E_g}$ фотоэффект не проявляется, так как энергия фотонов недостаточна.
  • При λ < λg квантовый выход фотоэффекта зависит от глубины поглощения и механизма рекомбинации.

Спектральная зависимость внутреннего фотоэффекта позволяет экспериментально определять ширину запрещённой зоны полупроводников.

Квантовый выход и эффективность

Квантовый выход фотоэффекта определяется как отношение числа созданных пар электрон–дырка к числу поглощённых фотонов:

$$ \eta = \frac{N_{eh}}{N_{\text{фотонов}}} $$

Реальное значение η меньше единицы из-за рекомбинации носителей вблизи поверхности и неполного поглощения излучения. Для высококачественных полупроводников с прямыми переходами η может достигать 0.8–0.9.

Внутренний фотоэффект следует отличать от внешнего: в первом случае носители остаются внутри кристалла и лишь изменяют его электропроводность или создают фото-ЭДС, а во втором — электроны выбиваются из вещества наружу.

Приборные применения

  1. Фотопроводимость Увеличение проводимости полупроводника под действием света используется в фотосопротивлениях. Их чувствительность зависит от ширины запрещённой зоны и времени жизни носителей.

  2. Фотодиоды В p–n переходах световая генерация носителей приводит к возникновению фототока. В режиме обратного смещения фотодиоды работают как чувствительные детекторы излучения.

  3. Солнечные элементы Внутренний фотоэффект лежит в основе преобразования энергии солнечного излучения в электрическую. Фото-ЭДС возникает за счёт разделения носителей в p–n переходе.

  4. Фототранзисторы Используют усиление фототока за счёт транзисторного эффекта, что позволяет повысить чувствительность по сравнению с фотодиодами.

Влияние примесей и дефектов

Примесные уровни могут существенно менять характер внутреннего фотоэффекта:

  • В узкозонных полупроводниках примеси создают дополнительные каналы поглощения.
  • При наличии глубоких уровней внутри запрещённой зоны возможны переходы при меньших энергиях фотонов, чем Eg.
  • Дефекты кристаллической решётки ускоряют нерадиативную рекомбинацию и снижают квантовый выход.

Температурные зависимости

Ширина запрещённой зоны Eg уменьшается с ростом температуры, что приводит к смещению длинноволнового края спектра фоточувствительности в сторону больших длин волн. Кроме того, время жизни носителей сокращается, а вероятность нерадиативной рекомбинации возрастает.

Таким образом, температурные эффекты определяют рабочий диапазон оптоэлектронных приборов, основанных на внутреннем фотоэффекте.

Оглавление