Эдс, возникающая в полупроводнике при его освещении

Если однородный полупроводник осветить сильно поглощаемым светом, то в его поверхностном слое, где происходит поглощение света, возникает избыточная концентрация электронов и дырок, которые будут диффундировать в глубь полупроводника.

Коэффициент диффузии электронов обычно значительно больше, коэффициента диффузии дырок. При диффузии электроны опережают дырки и происходит разделение зарядов. Поверхность приобретает положительный заряд по сравнению с объемом. Возникает ЭДС (иногда называют ЭДС Дембера)

, ( 10.2.1)

принимают grad n ≈ grad p.

Необходимо отметить, что наряду с фотоактивным, существуют и другие механизмы поглощения квантов света, не приводящие к появлению избыточных свободных носителей заряда в полупроводнике. К их числу относится так называемое экситонное поглощение, а так же поглощение свободными носителями заряда и оптическими колебаниями решетки.

Экситонное поглощение энергии кванта представляет собой такой вид возбуждения связанного электрона, при котором этот электрон неотрывается от своего атома, а лишь переходит на более высокий энергетический уровень. Следовательно, экситонное возбуждение не создает свободных носителей заряда и не изменяет электропроводности полупроводника. При переходе возбужденного электрона в нормальное состояние выделяется энергия, которая может быть передана валентному электрону соседнего атома, обусловив его возбуждение. Поэтому экситонное возбуждение может передаваться по кристаллу полупроводника, не вызывая электрического тока в кристалле, так как перемещаются не носители заряда, а лишь возбужденное состояние атомов.

Механизм поглощения энергии излучения свободными электронами сводится к тому, что под действием электромагнитного поля эти электроны совершают колебательные движения синхронно с полем. Если в процессе таких колебаний электрон испытывает столкновения с кристаллической решеткой полупроводника, то он передает ей энергию поля. В противном случае электрон возвращает электромагнитному полю накопленную им энергию. Таким образом, поглощение излучения свободными носителями и связанное с этим рассеяние энергии кристаллической решеткой не являются фотоактивными процессами и не приводят к изменению проводимости полупроводника. Тем не менее, эти процессы могут косвенно влиять на фотопроводимость, повышая уровень возбуждения электронов и их готовность к переходу из валентной зоны в зону проводимости.

Фотоэффект в р-п переходе.

При освещении электронно-дырочного перехода и примыкающих к нему участков полупроводников между ними возникает электродвижущая сила. Этот эффект называют фотогальваническим.

Рассмотрим р-п структуру, у которой р-п переход и непосредственно прилегающая к нему часть р-п областей подвергаются действию света (рис.10.3.1).

Поток падающих на полупроводник фотонов создает в нем некоторое количество подвижных носителей зарядов – электронов и дырок. Часть из них, диффундируя к переходу, достигает его границы, не успев рекомбинировать. На границе перехода электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем перехода. Неосновные носители, для которых поле р-п перехода является ускоряющим, выбрасываются этим полем за переход: дырки в р -, а электроны в п - области. Основные носители зарядов задерживаются полем в своей области. В результате происходит накопление нескомпенсированных зарядов и на р-п переходе создается добавочная разность потенциалов, называемая фотоэлектродвижущей силой (фото-ЭДС).

Величина фото-ЭДС зависит от интенсивности светового потока и обычно составляет десятые доли вольта. Если цепь р-п структуры при этом замкнуть, то в ней под действием фото-ЭДС создается электрический ток, сила которого зависит от величины светового потока и сопротивления нагрузки.

Фотогальванический эффект используется в вентильных фотоэлементах, фотодиодах и фоторезисторах, изготовленных на основе селена, германия, кремния, сернистого таллия, сернистого серебра.