Внутренний фотоэффект в полупроводниках

Фотоприемники — это оптоэлектронные приборы для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию.

Под действием оптического излучения происходит изменение электрофизических параметров фотоприемника, обусловленное образованием дополнительных носителей в полупроводнике. Процесс создания дополнительных носителей заряда внутри полупроводника под действием оптического излучения называется внутренним фотоэффектом.

Внутренний фотоэффект бывает двух видов.

Фотогальванический эффект	Фотопроводимость
Возникает только в полупроводнике с p-n-переходом.	Возникает в полупроводнике без p-n-перехода.
Он создается в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером, который разделяет возникшие под действием оптического излучения дополнительные носители, что приводит к созданию фото-ЭДС.	Он состоит лишь в создании дополнительных носителей (фотоносителей) в результате чего происходит увеличение проводимости полупроводника.
Этот эффект находит применение в фотодиодах и фототранзисторах.	Этот эффект находит применение в фоторезисторах.

Таким образом, под действием оптического излучения в полупроводнике всегда создаются дополнительные носители (электроны и дырки), которые принято называть фотоносителями.

Рассмотрим процесс образования фотоносителей (дополнительных электронов и дырок) при поглощении атомами полупроводника фотонов оптического излучения. В полупроводнике существует три вида поглощения фотонов.

1. Межзонное поглощение. Энергия фотона может быть передана электрону, находящемуся в ковалентной связи, в результате чего, электрон перейдет в зону проводимости (процесс 1 на рис. 13.1). Этот эффект называется также собственной фотопроводимостью.

2. Примесное поглощение с ионизацией примесного атома (процесс 2 на рис. 13.1). Энергия фотона передается электрону на примесном уровне и электрон переходит в зону проводимости. Атом донора лишается одного электрона и превращается в отрицательный ион.

Рисунок 13.1

3. Примесное поглощение с возбуждением примесного атома. Энергия фотона может быть передана электрону, находящемуся в ковалентной связи, в результате чего, электрон перейдет на донорный уровень (процесс 3 на рис. 13.1).

Рисунок 13.2 — Прямое и непрямое межзонное поглощение

При собственном поглощении фотонов переход электронов из валентной зоны в зону проводимости может осуществляться без изменения импульса (прямые переходы, рис. 13.2 а) и с изменением импульса (непрямые переходы, рис. 13.2 б). В случае непрямых переходов энергия фотона тратится не только на ионизацию атома (перевод электрона в зону проводимости), но и создание фонона — кванта тепловой энергии кристаллической решетки.

Чтобы фотон внешнего излучения создавал фотоносители, необходимо выполнение соотношения:

Поэтому собственный внутренний фотоэффект в полупроводнике возможен только при воздействии на полупроводник внешнего электромагнитного излучения с длиной волны

где — длинноволновая граница спектральной чувствительности материала (она определяется шириной запрещенной зоны полупроводника).

При собственный фотоэффект в полупроводнике невозможен. Приведем значения для некоторых полупроводниковых материалов:

Полупроводник	, мкм
	1.1
	1.8
	0.9
	0.8

Из таблицы видно, что наиболее эффективным материалом для создания фотоприемника является германий, который может воспринять электромагнитное излучение в более широком диапазоне частот, вплоть до 1.8 мкм.

Эффективность протекания фотоэлектрических процессов характеризуется квантовым выходом , который равен отношению числа сгенерированных электронно-дырочных пар к числу поглощенных фотонов падающего излучения.

Поглощение излучения характеризуют глубиной поглощения , на которой интенсивность падающего излучения уменьшается в e раз. Вводится также и обратная величина , называемая показателем поглощения.

Поглощение в полупроводнике описывается законом Бугера-Ламберта:

где — световой поток, падающий на поверхность кристалла; — координата, отсчитываемая от поверхности вглубь полупроводникового кристалла.

Зависимость глубины поглощения от длины волны падающего излучения называется спектром поглощения полупроводника.

Важнейшим параметром фотоприемника является чувствительность. Чувствительность — это параметр, отражающий изменение электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного оптического сигнала.

В зависимости от измеряемого электрического параметра на выходе фотоприемника различают токовую и вольтовую чувствительности. Если измеряемой величиной является фототок , то имеем дело с токовой чувствительностью (). Чувствительность фотоприемника, у которого измеряемой величиной является напряжение фотосигнала , называется вольтовой чувствительностью (). Для них справедливы следующие соотношения:

где [люмен] — световой поток; — энергия излучения.

Фотоприемники чаще всего используются совместно со светодиодами. В этом случае важно, чтобы чувствительность фотоприемника была максимальной на рабочей длине волны применяемого излучателя (светодиода).

Дата добавления: 2014-01-04