Примесное поглощение света в полупроводниках

Примесное поглощение наблюдается в полупроводниках, содержащих примесные атомы. Поглощение света обусловлено возбуждением примесных центров или их ионизацией. Например, в полупроводнике n-типа электроны с донорных уровней могут быть возбуждены в зону проводимости. Полосы примесного поглощения лежат за краем собственного поглощения полупроводника, поскольку энергия ионизации примесных уровней меньше, чем энергия, требуемая для перевода электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Увеличение электропроводности полупроводников под действием электромагнитного излучения называют фотопроводимостью полупроводников. Фотопроводимость полупроводников может быть связана со свойствами как основного вещества, так и содержащихся в нем примесей. В первом случае при поглощении фотонов, энергия которых равна или больше ширины запрещенной зоны полупроводника (hν ≥ ∆E_g), могут совершаться перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 9.13, а), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость, обусловленная электронами и дырками.

Рис. 9.13 Собственная (а) и примесная (б) фотопроводимость.

1 – зона проводимости, 2 – запрещенная зона, 3 – валентная зона, 4 – примесные уровни

Если полупроводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при hν < ∆E: для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией hν ≥ ∆E_D, а для полупроводников с акцепторной примесью hν ≥ ∆E_A. 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 р-типа (рис. 9.13, б). В результате возникает примесная фотопроводимость, являющаяся чисто электронной для полупроводников n-типа и чисто дырочной для полупроводников р-типа.

Из условия hν = hc/λ можно определить красную границу фотопроводимости − максимальную длину волны, при которой еще фотопроводимость возбуждается:

- для собственных полупроводников λ₀ = hc/∆Е_g

- для примесных полупроводников λ₀ = hc/∆E_п ,

где ∆E_п − в общем случае энергия активации примесных атомов).

Учитывая значения ∆E_g и ∆E_п для конкретных полупроводников, можно показать, что красная граница фотопроводимости для собственных полупроводников приходится на видимую область спектра, для примесных же полупроводников - на инфракрасную.

Тепловое или электромагнитное возбуждение электронов и дырок может и не сопровождаться увеличением электропроводности. Одним из таких механизмов может быть механизм возникновения экситонов. Экситоны представляют собой квазичастицы − электрически нейтральные связанные состояния электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствие чего экситонное поглощение света не сопровождается увеличением фотопроводимости.

Эффект Дембера

Эффект Дембера — в физике твёрдого тела гальванооптический эффект, состоящий в возникновении электрического поля и ЭДС в однородном полупроводнике при его неравномерном освещении. - в физике полупроводников это явление, которое препятствует расслоению электронного и дырочного "облаков" при внесении в полупроводник примеси

Описание

Эффект Дембера заключается в возникновении ЭДС в однородном полупроводнике при его неравномерном освещении.

ЭДС возникает за счет разницы концентраций новых носителей заряда, которые появились в результате освещения. Вновь возникшие электроны и дырки диффундируют из области более освещаемой в более затемненную. Диффузия для электронов и дырок имеет различные значения. Таким образом, электроны быстрее распространяются от освещенного места. Возникает ЭДС, направленная от освещенного участка полупроводника к затемненному.

Величина ЭДС определяется формулой: .

где — коэффициент диффузии электронов, — коэффициент диффузии дырок, — подвижность электронов, — подвижность дырок.