Фотопроводимость

фоторезистивный эффект, увеличение электропроводности полупроводника (См. Полупроводники)под действием электромагнитного излучения. Впервые Ф. наблюдалась в Se У. Смитом (США) в 1873. Обычно Ф. обусловлена увеличением концентрации носителей тока под действием света (концентрационная Ф.). Она возникает в результате нескольких процессов: фотоны «вырывают» электроны из валентной зоны и «забрасывают» их в зону проводимости (рис. 1), при этом одновременно возрастает число электронов проводимости и дырок (собственная Ф.); электроны из заполненной зоны забрасываются на свободные примесные уровни – возрастает число дырок (дырочная примесная Ф.); электроны забрасываются с примесных уровней в зону проводимости (электронная примесная Ф.). Возможно комбинированное возбуждение Ф. «собственным» и «примесным» светом: «собственное» возбуждение в результате последующих процессов захвата носителей приводит к заполнению примесных центров и, следовательно, к появлению примесной Ф. (индуцированная примесная Ф.). Концентрационная Ф. может возникать только при возбуждении достаточно коротковолновым излучением, когда энергия фотонов превышает либо ширину запрещенной зоны (в случае собственной и индуцированной Ф.), либо расстояние между одной из зон и примесным уровнем (в случае электронной или дырочной примесной Ф.).

В той или иной степени Ф. обладают все неметаллические твёрдые тела. Наиболее изучена и широко применяется в технике Ф. полупроводников Ge, Si, Se, CdS, CdSe, InSb, GaAs, PbS и др. Величина концентрационной Ф. пропорциональна квантовому выходу η (отношению числа образующихся носителей к общему числу поглощённых фотонов) и времени жизни неравновесных (избыточных) носителей, возбуждаемых светом (фотоносителей). При освещении видимым светом η обычно меньше 1 из-за «конкурирующих» процессов, приводящих к поглощению света, но не связанных с образованием фотоносителей (возбуждение экситонов, примесных атомов, колебаний кристаллической решётки (См. Колебания кристаллической решётки) и др.). При облучении вещества ультрафиолетовым или более жёстким излучением η > 1, т.к. энергия фотона достаточно велика, чтобы не только вырвать электрон из заполненной зоны, но и сообщить ему кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации (См. Ионизация). Время жизни носителя (т. е. время, которое он в среднем проводит в свободном состоянии) определяется процессами рекомбинации. При прямой (межзонной) рекомбинации фотоэлектрон сразу переходит из зоны проводимости в валентную зону. В случае рекомбинации через примесные центры электрон сначала захватывается примесным центром, а затем попадает в валентную зону. В зависимости от структуры материала, степени его чистоты и температуры время жизни может меняться в пределах от долей сек до 10^-8сек.

Зависимость Ф. от частоты излучения определяется спектром поглощения полупроводника. По мере увеличения коэффициента поглощения Ф. сначала достигает максимума, а затем падает. Спад Ф. объясняется тем, что при большом коэффициенте поглощения весь свет поглощается в поверхностном слое проводника, где очень велика скорость рекомбинации носителей (поверхностная рекомбинация, рис. 2).

Возможны и др. виды Ф., не связанные с изменением концентрации свободных носителей. Так, при поглощении свободными носителями длинноволнового электромагнитного излучения, не вызывающего межзонных переходов и ионизации примесных центров, происходит увеличение энергии («разогрев») носителей, что приводит к изменению их подвижности и, следовательно, к увеличению электропроводности. Такая подвижностная Ф. убывает при высоких частотах и перестаёт зависеть от частоты при низких частотах. Изменение подвижности под действием излучения может быть обусловлено не только увеличением энергии носителей, но и влиянием излучения на процессы рассеяния электронов кристаллической решёткой.

Изучение Ф. – один из наиболее эффективных способов исследования свойств твёрдых тел (См. Твёрдое тело). Явление Ф. используется для создания Фоторезисторов, чувствительных и малоинерционных приёмников излучения (См. Приёмники излучения) в очень широком диапазоне длин волн – от γ-лучей до диапазона сверхвысоких частот (См. Сверхвысокие частоты).

Лит.: Рывкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967; см. также лит. при ст. Полупроводники.

Э. М. Эпштейн.

Рис. 1. к ст. Фотопроводимость.

Рис. 2. Характерный вид спектра собственной фотопроводимости. Резкий спад в длинноволновой области отвечает т. н. краю поглощения — выключению собственного поглощения, когда энергия фотона становится меньше ширины запрещенной зоны; плавный спад в области малых длин волн обусловлен поглощением света у поверхности.

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ - увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости - увеличение концентрации носителей заряда - электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

жен. photoconductivity

ж.

fotoconductividad f, fotoconductibilidad f

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ

фоторезистивный эффект, увеличение электропроводности полупроводника под действием электромагн. излучения. Впервые Ф. наблюдалась в Se У. Смитом (США) в 1873. Обычно Ф. обусловлена увеличением концентрации подвижных носителей заряда под действием света (концентрационная ф.). Она возникает в результате неск. процессов: фотоны «вырывают» эл-ны из валентной зоны и забрасывают их в зону проводимости, при этом одновременно возрастает число эл-нов проводимости и дырок (собственная Ф.); эл-ны из заполненной зоны забрасываются на свободные примесные уровни — возрастает число дырок (дырочная примесная Ф.); эл-ны забрасываются с примесных уровней в зону проводимости (электронная примесная Ф., рис. 1). Возможно комбинированное возбуждение Ф. Концентрационная Ф. может возникать только при возбуждении достаточно коротковолновым излучением, когда энергия фотонов превышает либо ширину запрещённой зоны, либо расстояние между одной из зон и примесным уровнем. Ф. обладают все неметаллич. твёрдые тела. Наиболее изучена и широко применяется в технике Ф. полупроводников: Ge, Si, Se, CdS, CdSe, InSb, GaAs, PbS и др. Величина концентрационной Ф. пропорц. квантовому выходу Y (отношению числа образующихся носителей к общему числу поглощённых фотонов) и времени жизни неравновесных (избыточных) носителей, возбуждаемых светом (фотоносителей). При освещении видимым светом Y обычно меньше 1 из-за «конкурирующих» процессов, приводящих к поглощению света, но не связанных с образованием носителей (возбуждение экситонов, примесных атомов, фононов и др.).

При облучении в-ва УФ или более жёстким излучением Y>1, т. <к. энергия фотона достаточно велика, чтобы не только вырвать эл-н из заполненной зоны, но и сообщить ему кинетич. энергию, достаточную для ударной ионизации. Время жизни носителя (время т, к-рое он в среднем проводит в свободном состоянии) определяется процессами рекомбинации. При прямой (межзонной) рекомбинации эл-н сразу переходит из зоны проводимости в валентную зону. В случае рекомбинации через примесные центры эл-н сначала захватывается примесным центром, а затем уже попадает в валентную зону. В зависимости от структуры материала, его чистоты и темп-ры т может меняться в пределах от 1 до 10-8 с.

Рис. 2. Характерный вид спектра собств. фотопроводимости. Резкий спад и длинноволновой области отвечает т. н. краю поглощения —выключению «собственного» поглощения, когда энергия фотона меньше ширины запрещённой зоны; плавный спад в области малых длин волн обусловлен поглощением света у поверхности.

Зависимость Ф. от длины волны излучения К определяется спектром поглощения полупроводника. По мере увеличения? фототок Ф. сначала достигает максимума, а затем падает (рис. 2). Спад фототока объясняется тем, что при большом коэфф. поглощения весь свет поглощается в поверхностном слое проводника, где очень велика скорость рекомбинации носителей (поверхностная рекомбинация).

При поглощении свободными носителями длинноволнового электромагн. излучения, не вызывающего межзонных переходов и ионизации примесных центров, происходит увеличение энергии («разогрев») носителей, что приводит к изменению их подвижности и, следовательно, к увеличению электропроводности. Такая «подвижностная» Ф. убывает при высоких частотах и перестаёт зависеть от частоты при низких частотах. Изменение подвижности под действием излучения может быть обусловлено не только увеличением энергии носителей, но и влиянием излучения на процессы рассеяния электронов кристаллич. решёткой.

фотопроводи́мость

увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости — увеличение концентрации носителей заряда — электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

* * *

ФОТОПРОВОДИ́МОСТЬ (фоторезистивный эффект), увеличение электрической проводимости полупроводника(см. ПОЛУПРОВОДНИКИ) под действием электромагнитного излучения.

При фотопроводимости первичным является процесс поглощения фотонов(см. ФОТОН (элементарная частица)). Если нет поглощения, то нет и фотопроводимости. Не любое, а только фотоактивное поглощение света вызывает изменение удельного сопротивления. Фотопроводимость равна разности проводимостей полупроводника на свету и в темноте.

Фотопроводимость определяется как свойствами основного вещества, так и содержащихся в них примесей.

В отличие от равновесных носителей, образующихся в полупроводнике в результате тепловых возбуждений, носители, возникающие при других возбуждениях, называются неравновесными. Освещение полупроводника светом с подходящей длиной волны — простейший способ создания неравновесных носителей.

В нелегированных полупроводниках наблюдается собственная фотопроводимость. Если энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны(см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА), электроны могут быть переброшены из валентной зоны(см. ВАЛЕНТНАЯ ЗОНА) в зону проводимости(см. ПРОВОДИМОСТИ ЗОНА), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). Собственная фотопроводимость обусловлена как электронами, так и дырками.

В легированных полупроводниках наблюдается примесная фотопроводимость. Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать, если энергия фотонов меньше, чем ширина запрещенной зоны, но превышает значение энергии ионизации примеси. При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупроводника n-типа или из валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника p-типа.

Примесная проводимость для полупроводника n-типа чисто электронная, для полупроводников p-типа чисто дырочная.

При относительно низкой концентрации равновесных носителей проводимость кристалла при освещении может измениться в сотни и тысячи раз. На этом явлении основано действие фотосопротивлений, используемых для регистрации и измерения интенсивности световых сигналов.

Концентрация электронов и дырок при освещении не может изменяться неограниченно. Электрон, оказавшись вблизи свободной дырки в валентной зоне или вблизи пустого примесного центра, может заполнить этот свободный уровень, отдав избыточную энергию решетке или излучив ее в виде кванта соответствующей частоты. Этот процесс называется рекомбинацией носителей, причем если избыток энергии отдается решетке, то рекомбинация называется безызлучательной, если же он высвечивается в виде кванта света — излучательной. Излучательные переходы лежат в основе работы светодиодов, а также полупроводниковых лазеров.

Фотопроводимость отличается от обычной или темновой проводимости лишь способом генерации заряда. Механизм же прохождения тока через кристалл и, в частности связь между векторами плотности тока и напряженности поля остаются такими же, как и при обычной проводимости.

изменение электрич. проводимости веществ под действием электромагн.излучения. Ф. - следствие изменения распределения электронов в ПП или диэлектрике (см. Зонная теория), к-рое вызывается поглощением электромагн. излучения. Различают концентрационную Ф., связанную с тем, что при облучении увеличивается концентрация носителей тока (электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне); подвижностную Ф., связанную е изменением подвижности носителей тока в ПП при индуцируемых облучением внутризонных переходах электронов проводимости и дырок. На явлении Ф. осн. действие фоторезисторов.

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ — способность вещества изменять свою электропроводность под действием оптического излучения. Различают Ф. примесную (обусловленную ионизацией атомов донорной или акцепторной примеси) и собственную (обусловленную генерацией пар «электрон проводимости — дырка проводимости»),