#

7. В нутренний фотоэффект

Внутренним фотоэффектом называется явление возрастания электропроводности полупроводников и диэлектриков под действием облучения. Это явление также называют фотопроводимостью. Рост электропроводности полупроводников и диэлектриков происходит за счет увеличения в них числа свободных носителей тока. Это явление можно объяснить с помощью зонной теории кристаллических тел. Для полупроводников характерно наличие не очень широкой ( эВ) запрещенной зоны. Валентная зона собственного полупроводника заполнена полностью. В зону проводимости электроны могут переходить из валентной, получив извне для такого перехода энергию не менее энергии активации (ширина запрещенной зоны). При этом в зоне проводимости образуются вакантные места, называемые «дырки». Эти пары разноименно заряженных носителей тока (электрон в зоне проводимости и «дырка» в валентной зоне) способны под действием внешнего электрического поля приходить в упорядоченное движение, образуя электрический ток. Одним из способов получения дополнительного количества свободных носителей заряда в полупроводнике является поглощение им световой энергии.

Электрон, находящийся в валентной зоне, поглощая фотон, переходит в зону проводимости, а в валентной зоне появляется «дырка». Очевидно, что концентрация электронов и «дырок», а также зависящая от нее электропроводность вещества пропорциональны числу фотонов, падающих на единицу поверхности вещества в единицу времени, т. е. интенсивности монохроматического света. Исходя из того, что энергия поглощаемого электроном фотона не должна быть меньше энергии активации , можно определить граничную частоту для данного вещества – «красную границу» фотоэлемента:

.

Эта граничная частота фотона при поглощении его электроном обеспечивает переход последнего с самого верхнего уровня валентной зоны на самый нижний уровень зоны проводимости.

Введение в полупроводник малого количества примесей значительно повышает его электропроводность. Такое поведение полупроводников объясняется тем, что наличие примеси обуславливает появление в запрещенной зоне добавочных энергетических уровней. Если валентность атомов примеси на единицу больше валентности атомов полупроводника, то добавочные энергетические уровни располагаются вблизи дна зоны проводимости и называются донорными уровнями. Если валентность атомов примеси на единицу меньше валентности атомов полупроводника, то добавочные энергетические уровни располагаются вблизи верхнего края валентной зоны и называются акцепторными уровнями.

В примесных полупроводниках с небольшим содержанием примесей вероятность поглощения фотонов электронами примесных атомов мала. Поэтому изменение проводимости под действием света в основном связано либо с переходом электронов с донорских уровней в зону проводимости (электронная проводимость или проводимость n-типа), либо из валентной зоны на акцепторные уровни (дырочная проводимость или проводимость р-типа).

Запрещенная зона различных полупроводников имеет ширину от десятых долей до двух электронвольт ( эВ), поэтому фотопроводимость может обнаруживаться в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой области спектра. Некоторая фотопроводимость обнаруживается и при частоте света чуть меньше граничной (т.е. вызываемая квантами с энергией меньше энергии активации). Это объясняется двумя причинами: 1) отдельные электроны могут оказаться под суммарным воздействием энергии фотонов и энергии тепловых колебаний решетки; 2) ширина запрещенной зоны подвержена флуктуациям, так как тепловые колебания решетки приводят к изменению мгновенных расстояний между атомами, от которых она зависит.

Изменение электрических свойств полупроводников под влиянием электромагнитного излучения носит временный характер. После прекращения облучения проводимость за время от нескольких микросекунд до нескольких часов (для различных веществ) возвращается к тому значению, которое она имела до облучения.

| © Кафедра физики БГУИР |