Учебное пособие по курсам «Фотоэлектрические явления в полупроводниках» и«Фотоэлек­трические явления в полупроводниках и полупроводниковых наноструктурах»

ФОТОАКТИВНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ И ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Падающий на вещество поток света испытывает отражение, поглощение или проходит насквозь (пропускание). Интенсивность Ф света, прошедшего через слой вещества, толщиной d, описывается известным законом Ламберта-

Бугера
Ф = O0e^_ad(l - R)	(1.1)
где - интенсивность падающего света,
а и R - коэффициенты поглощения и отражения света соответственно.

Если поглощенный свет приводит к такому увеличению энергии электро­нов, что они покидают объем, занимаемый веществом, говорят о внешнем фо­тоэффекте. Если при освещении изменяется энергетическое состояние носите­лей заряда внутри твердого тела, то мы имеем дело с внутренним фотоэффек­том. Чаще всего изменение энергетического состояния электронов при внут­реннем фотоэффекте связано с появлением дополнительного числа свободных носителей

Поглощенный свет не всегда вызывает фотоэффект. Существует несколько видов поглощения света кристаллом [5]:
а) собственное поглощение;
б) примесное поглощение;
в) экситонное поглощение;
г) поглощение свободными носителями;
д) поглощение кристаллической решеткой.
Собственное поглощение связано с перебросом поглощенными квантами света (фотонами) электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 1.1, переход 1). Перебросы электронов с уровня в зону проводимости 2 или из ва­лентной зоны на уровень 2' вызваны примесным поглощением. Для реализации переходов 2 и 2' нужна меньшая энергия кванта hv2 , чем для перехода 1, по­этому примесное поглощение имеет место при больших длинах волн падающе­го света. Экситонное поглощение приводит к образованию связанной элек­тронно-дырочной пары (экситона) и проявляется в виде пиков на краю основ­ного (собственного) поглощения.
Увеличение энергии свободного носителя сопровождает процесс поглоще­ния свободными носителями заряда. При этом в отличие от процессов I и 2 число свободных носителей не изменяется. Поглощение света кристаллической решеткой приводит к увеличению амплитуды колебаний узлов решетки.


Рис. 1.1. Спектральная зависимость коэффициента поглощения (а) и схема электронных переходов (б) полупроводника: 1 - собственное поглощение, 2 и 2’ - примес­ное поглощение

Процессы 1 и 2 приводят и увеличению концентрации носителей заряда, а процесс 4 - к изменению их подвижности. Распад экситона также приводит к появлению фотоносителей. Поглощение решеткой не вызывает изменения чис­ла или подвижности носителей заряда и поэтому не является фотоактивным. В дальнейшем при рассмотрении процессов фотопроводимости мы будем, если не оговаривается специально, рассматривать лишь собственное поглощение.

Величина коэффициента поглощения а зависит от его характера. Наиболь­шей величины а достигает в случае собственного поглощения (10⁶см^-1-10³см^-1). Поэтому генерация свободных носителей заряда имеет место в приповерхност­ной области полупроводника или диэлектрика.
Зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта определяется соотношениями вида: