|
| |
|
Слаботочка Книги  Рис. 2.12. Собственные (/) и примесные (2, 3) фотопереходы электронов в полупроводнике (л - уровень ловушки) Рис. 2.13. Спектральные зависимости обратного коэффициента поглощения (хо = к-) некоторых полупроводников 0,1 - 100 -  1,0 1,5 2,0 1,5 3,0 Ет,эВ 1,0 1,0 0,5 X, мкм Прямозонные переходы происходят без изменения импульса электрона (Pe.c=Pe.t)), т. е. для их осуществления не требуется участия какого-либо третьего тела, а необходима лишь встреча электрона и дырки; такие переходы представляют собой вероятностные процессы первого порядка. При непрямозонных переходах обязательна передача части импульса фонону (ре.с = Ре.1; + Рфн). Это процессы второго порядка, и их вероятность намного меньше (на несколько порядков), чем прямозонных переходов. Равенство в (2.35) определяет красную границу фотоэффекта: Я,р=1,23/£, (2.38) где Ягр, мкм; Eg, эВ. Вблизи этой границы х растет очень быстро, изменяясь, как правило, на 3-4 порядка при увеличении энергии кванта на 0,1 эВ (рис. 2.13). При выполнении условия (2.35) каждый поглощенный фотон порождает одну пару электрон - дырка или, иными словами, квантовая эффективность ц = \. Это по-.ложение сохраняется при повышении энергии квантов, и лишь при hv> {2 ...2>)Eg квантовая эффективность начинает возрастать. При очень больших энергиях квантов на генерацию пары носителей в среднем затрачивается порция энергии около d>Eg. Таким образом, энергетически наиболее выгоден фотоэффект, вызываемый квантами с hvfEg; при преобразовании высокоэнергетических квантов (коротковолновое излучение) значительная часть их энергии переходит в тепло. Край спектра поглощения полупроводника Кгр может смещаться в длинноволновую сторону при приложении электрического поля; это явление известно как эффект Келдыша - Франца. Действие электрического поля приводит к наклону энергетических зон в пространстве, так что при энергии квантов h\<Eg электрон мо-ж;ет оторваться от атома вследствие туннелирования между состояниями валентной зоны и зоны проводимости, разделенными в  Рис. 2.14. Энергетическая диаграмма полупроводника при воздействии сильного электрического поля и квантовый переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, иллюстрирующий эффект Келдыша - - Франца кристалле малым расстоянием Дх (рис. 2.14). Расчет показывает, что ширина запрещенной зоны уменьшается пропорционально квадрату напряженности электрического поля; этот сдвиг для арсенида галлия около 10" эВХ ХВ-2.СМ-2. При реально достижимых электрических полях удается сместить край поглощения на несколько сотых долей электрон-вольта, что по абсолютной величине мало, но может приводить к изменению коэффициента поглощения на три порядка. Эффект Келдыша - Франца используется для создания высокоскоростных модуляторов света. Примесное поглощение (примесная фотопроводимость) имеет место тогда, когда энергии квантов не хватает для образования электронно-дырочной пары, но ее достаточно, чтобы возбудить примесный атом до состояния, когда образуется свободный электрон и связанная дырка или свободная дырка и связанный электрон (см. рис. 2.12). Первое отличие примесной фотопроводимости от собственной состоит в меньшей энергии поглощаемых квантов: для очень мелких акцепторных и донор-ных уровней энергия этих квантов может быть в десятки и сотни раз меньше Eg. В этой связи примесная фотопроводимость открывает широкие возможности создания фотоприемников ИК-Диапазона (включая дальний ИК- и субмиллиметровый радиодиапазон). Второе отличие состоит в том, что примесное поглощение ведет к генерации лишь одного типа носителей - электронов или дырок, и третье - в том, что эффективность примесного поглощения значительно меньше, чем собственного: в типичных случаях концентрация примесных атомов значительно меньше (на 6-8 порядков), чем атомов самого полупроводника. Отсюда следует, что для реализации поглощения на примесях необходимо использовать полупроводники большой толщины, а это всегда ведет к нежелательному увеличению длительности релаксационных процессов. Таким образом, примесное поглощение следует использовать лишь в тех случаях, когда не удается подобрать полупроводник с собственным поглощением в той же области спектра. Длинноволновая граница примесного фотоэффекта также определяется формулой (2.38), если в ней Eg заменить на энергетический зазор между примесным центром и разрешенной зоной, с которой осуществляется обмен носителями заряда. Кроме рассмотренных собственного и примесного поглощений имеется еще несколько механизмов взаимодействия квантов излучения с веществом, прояв- ляющихся в фотоэффекте. Прежде всего необходимо отметить поглощение на свободных носителях заряда. Это приводит к перемещению носителя внутри разрешенной зоны на более высокий энергетический уровень, т. е. к так называемому разогреву носителей (например, электронов в зоне проводимости). Если обмен энергией между «горячим» электроном и зоной осуществляется быстро, то эта избыточная энергия переходит в тепло и фактически поглощенные таким образом кванты вклада в фотоэффект ие дают. При типичных значениях £«1 эВ поглощение на свободных носителях может стать заметным на фоне собственного поглощения лишь при концентрациях носителей не менее Ю*... ... 10° см- т. е. в относительно редких случаях. Если каким-то образом обмен энергией между «горячими» электронами и кристаллической решеткой замедлить (например, путем глубокого охлаждения), то это приведет к тому, что их подвижность будет отличной от подвижности обычных электронов проводимости. Это значит, что согласно (2.12) изменится и проводимость образца. Подобный эффект, известный как р-фотопроводимость, может использоваться для создания неизбирательных фотоприемников дальнего ИК-Диапазона; в оптоэлектронике реального применения он не находит. Другой важный механизм - экситонное поглощение, в процессе которого электрон и дырка приходят в возбужденное состояние, но остаются связанными друг с другом силами кулоновсксго взаимодействия в водородоподобном состоянии, т. е. в форме экситона. Энергия образования экситона обычно на 3... 6 мэВ меньше ширины запрещенной зоны, что обусловливает поглощение в области более длинноволновой, чем у собственного поглощения. Кулоновское притяжение между возбуждаемыми носителями заряда влияет на переходы зона - зона и в том случае, когда носители образуются несвязанными. При достаточно больших концентрациях свободных носителей кулоновские поля экранируются на очень малых расстояниях и экситоны не образуются. Несмотря на то, что Экситоны могут перемещаться по кристаллу, фотопроводимость при этом не возникает, так как электрон и дырка движутся вместе. Практически экситонное поглощение фотонов проявляется лишь в высокоомных полупроводниках в виде тонкой структуры спектра слева и оправа от Ягр. Итак, при поглощении фотонов в полупроводнике (и в твердом теле вообще) имеют место квантовые электронные переходы, часть из которых (собственное и примесное поглощение) приводит к образованию избыточной концентрации свободных носителей заряда, а часть (экситонное, фононное поглощение и поглощение на свободных носителях) в конечном счете приводит лищь к разогреву кристалла. Возникновение свободных носителей заряда под действием излучения составляет основу различных фотоэлектрических эффектов. В оптоэлектронике находят применение две формы проявления этих эффектов: фотопроводимость - увеличение проводимости материала, появление добавочной составляющей проводимости под действием излучения (наблюдается в однородных достаточно протяженных полупроводниковых образцах) и фотовольтаический эффект, возникающий при воздействии излучения на структуры со встроенным потенциальным барьером (р-п-переход, барьер Шотки и т. д.). Образующиеся носители заряда - электроны и дыр- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 [24] 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |