Оптические свойства полупроводников

Поглощение света и фотопроводимость. При прохождении через полупроводник частицы световой энергии — фотоны поглощаются электронами и атомами кристаллической решетки. Степень погло­щения электромагнитной энергии характеризуется коэффициентом поглощения a, обратная величина которого равна толщине слоя полупроводника (в сантиметрах), при прохождении через который, интенсивность света уменьшается в е =2,72 раз.

Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энерге­тический уровень. А так как свободные уровни в собственном полу­проводнике есть только в зоне проводимости, то поглощаться будут только фотоны, энергия которых больше ширины запрещенной зо­ны . Энергия фотона

(4.12)

где h = 4,14×10^-15 эВ×с—постоянная Планка; с = 3×10⁸ м/с—ско­рость света; n и l— частота и длина волны падающего света.

Подставив в выражение (4.12) значение ширины запрещенной зоны, например кремния (=1,12 эВ), получим

где l измеряется в мкм.

Таким образом, кремний будет поглощать свет только с длиной волны, меньшей 1,1 мкм. Зависимость коэффициентов поглощения от длины волны падающего света приведена на рис. 4.5. Макси­мальную длину волны падающего света, поглощаемую полупровод­ником, называют длинноволновой или красной границей.

Так как ширина запрещенной зоны для различных полупровод­ников изменяется от 0,1 до 3 эВ, то и пороговая длина поглощаемого света может лежать в различных частях спектра: инфракрасной, видимой, ультрафиолетовой. Исследовав зависимость коэффициен­та поглощения от длины волны, можно определить ширину запре­щенной зоны полупроводника.

Поглощение света приводит к появлению в полупроводни­ке дополнительных, кроме имеющихся при данной температуре, не­равновесных носителей заряда. Следовательно, электропроводность полупроводника возрастет:

g = g_темн + g_ф (4.13)

где g_темн — проводимость полупроводника в темноте; g_ф — фотопро­водимость, ппоявляющаяся при освещении полупроводника.

Фо­топроводимость у конкретных полупроводниковых материалов обычно наблюдается в довольноузкомдиапазоне длин волн, так как спектральная характеристика фотопроводимости, кроме длинноволнового спада, имеет еще и коротковолновый спад (например, для GaAs при l<0,9 мкм) (рис. 4.6.) Это объясня­ется быстрым увеличением коэффициента поглощения с ростом частоты и уменьшением глубины проникновения электромагнит­ной волны. Поглощение происходит в тонком поверхностном слое полупроводника, где и образуется основное количество носите­лей заряда. Появление большого количества избыточных носите­лей заряда только у поверхности слабо отражается на проводи­мости всего объема полупроводника, потому что скорость поверх­ностной рекомбинации больше, чем объемной, и потому что про­никающие внутрь неосновные носители заряда увеличивают ско­рость рекомбинации в объеме полупроводника.

При длинах волн, больших граничной (с учетом теплового «хвоста»), энергии квантов ока­зываются недостаточными для генерации электронно-дыроч­ных пар, и простые полупровод­ники можно считать прозрачны­ми в этих областях спектра (пра­вая часть рис. 4.6). Однако не­большое оптическое поглощение все же происходит вследствие то­го, что в полупроводнике имеется некоторое количество свободных электронов и дырок.

При увеличении интенсивности облу­чения количество свободных носителей заряда в полупроводнике будет возра­стать. Но одновременно будет увеличи­ваться интенсивность обратного процесса рекомбинации, пока между процессами генерации и рекомбинации носителей за­ряда не установится динамическое равно­весие. Зависимость фотопроводимости от интенсивности облучения показана на рис. 4.7.

Процесс воздействия света на полупроводник имеет обратимый характер. После прекращения облучения проводимость полупровод­ника примет прежнее значение g_темн . Но время, необходимое для рекомбинации появившихся в результате облучения неравновесных носителей заряда, для различных полупроводников составляет от наносекунд до нескольких часов. Этот процесс называют релакса­цией фотопроводимости. Для характеристики его вводят понятие - эффек­тивное время жизни неравновесных носителей заряда t, за которое концентрация носителей уменьшается в е раз. Среднее расстояние l, на которое успевают переместиться носители заряда за время t, называют диффузионной длиной неосновных носи­телей заряда. Типичное значение t и l для кремния составляет соответственно 0,2 мкс и 0,1 мм. При получении полупроводниковых материалов, предназначенных для высокочастотных приборов, зна­чения t и l необходимо уменьшать. Для этого полупроводник леги­руют примесями, создающими в запрещенной зоне глубокие энерге­тические уровни. Так, введение золота в германий поз­воляет довести значение t до 1 нс.

Зависимость электропроводности полупроводников от освеще­ния используют для создания различных фоточувствительных при­боров, работающих в широком диапазоне длин волн (от длинных инфракрасных до коротких ультрафиолетовых). Использование твердых растворов нескольких полупроводниковых материалов и введение нужных примесей позволяет изготавливать приборы с не­обходимыми спектром поглощения, инерционностью и другими ха­рактеристиками.

Фоторезистивный эффект (внутренний фотоэлектрический эффект) – это изменение удельного сопротивления полупроводника, обусловленное исключительно действием электромагнитного излучения (квантом света) и не связанное с нагреванием полупроводника. Сущность этого явления состоит в том, что при поглощении квантов света с энергией, достаточной для ионизации собственных атомов полупроводника или ионизации примесей, происходит увеличение концентрации носителей заряда. В результате этого уменьшается удельное сопротивление полупроводника.

Для существования фоторезистивного эффекта необходимо, чтобы в полупроводнике происходило либо собственное поглощение квантов света с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение с образованием носителей одного знака.

При освещении полупроводника наряду с генерацией новых носителей заряда происходит и обратный процесс - рекомбинация. При непрерывном освещении между процессами генерации и рекомбинации устанавливается динамическое равновесие.

Люминесценция полупроводников. Люминесценцией называют электромагнитное нетепловое излучение, обладающее длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. Для возникновения люминесценции в полупроводнике атомы полупроводника должны быть выведены из состояния термодинамического равновесия, т.е. возбуждены любыми энергетическими воздействиями: электролюминесценция, фотолюминесценция, катодолюминесценция. При люминесценции акты поглощения энергии полупроводником и излучения квантов света разделены во времени промежуточными процессами, что приводит к относительно длительному существованию свечения полупроводника после прекращения возбуждения.

Излучение квантов света из полупроводника может происходить в результате перехода электрона на более низкий энергетический уровень при межзоновой рекомбинации или при рекомбинации с участием рекомбинационных ловушек.

Излучательная рекомбинация носителей заряда может произойти без электромагнитного воздействия или самопроизвольно. Так как спонтанное излучение случайно, имеет статистический характер, то оно некогерентно. Это обусловлено тем, что акты спонтанного излучения происходят независимо друг от друга в разные моменты времени.

Переход электрона на более низкий энергетический уровень с излучением кванта света может произойти с помощью электромагнитного воздействия. Такую рекомбинацию называют вынужденной, индуцированной или стимулированной. Следовательно, квант света с определенной частотой может не только поглощаться полупроводником, но и вызывать добавочное индуцированное излучение. Индуцированное излучение происходит в том же направлении, что и вызвавшее его излучение, в одной и той же фазе и с одинаковой поляризацией, т. е. Индуцированное излучение является когерентным.