Внутренний фотоэффект. 
Электромагнитное поле

Внутренний фотоэффект представляет собой процесс образования свободных носителей заряда внутри вещества при воздействии излучения. Взаимодействие излучения с веществом (далее будем рассматривать только полупроводники) может происходить без изменения или с изменением энергии падающего кванта. В этом случае лишь поглощение фотонов представляет интерес. При этом, однако, возможно такое поглощение, при котором энергия фотона переходит в упругие колебания кристаллической решетки, иными словами, в энергию фононов, в результате поглощение излучения вызывает повышение температуры тела.

Этот эффект находит и практическое применение в одной из разновидностей фотоприемников — болометрах, но из-за невысокой чувствительности и низкого быстродействия болометры в оптоэлектронике не применяются. Лишь непосредственное возбуждение атомов, заключающееся в появлении дополнительных носителей заряда (фотоносителей), относится к фотоэффекту. Фотоэффект проявляется в электронных переходах двух типов: собственных (фундаментальных) и примесных (рис. 7.).

Собственные переходы (или собственная проводимость) сопровождаются увеличением концентрации свободных носителей обоих знаков — и электронов, и дырок. Математическое условие начала возникновения собственной фотопроводимости записывается так:, где hv — энергия кванта излучения.

При выполнении этого условия вблизи границы поглощения, соответствующей равенству, зависимость коэффициента поглощения от энергии кванта для прямозонных и непрямозонных полупроводников соответственно имеет вид:

.

где, А и В — константы;

— энергия фонона, а выбор знака в зависит от того, идет ли процесс с отдачей энергии фонону (плюс) или с получением энергии от него (минус).

Рисунок 7 — Собственные (1) и примесные (2, 3) фотопереходы электронов в полупроводнике (Ел — уровень ловушки).

Рисунок 8 — Спектральные зависимости обратного коэффициента поглощения () некоторых полупроводников Прямозонные переходы происходят без изменения импульса электрона (), 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 (). Это процессы второго порядка, и их вероятность намного меньше (на несколько порядков), чем прямозонных переходов.

Равенство определяет красную границу фотоэффекта.

.

где лгр, мкм; Eg, эВ.

Вблизи этой границы ч растет очень быстро, изменяясь, как правило, на 3−4 порядка при увеличении энергии кванта на 0,1 эВ (рисунок 8). При выполнении условия каждый поглощенный фотон порождает одну пару электрон — дырка или, иными словами, квантовая эффективность з=l. Это положение сохраняется при повышении энергии квантов, и лишь при hх> (2…3)E_g квантовая эффективность начинает возрастать. При очень больших энергиях квантов на генерацию пары носителей в среднем затрачивается порция энергии около 3E_g. Таким образом, энергетически наиболее выгоден фотоэффект, вызываемый квантами с hv? E_g; при преобразовании высокоэнергетических квантов (коротковолновое излучение) значительная часть их энергии переходит в тепло.

Край спектра поглощения полупроводника л_гр 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 hvg электрон может оторваться от атома вследствие туннелирования между состояниями валентной зоны и зоны проводимости, разделенными в кристалле малым расстоянием Дч (рис. 9.). Расчет показывает, что ширина запрещенной зоны уменьшается пропорционально квадрату напряженности электрического поля; этот сдвиг для арсенида галлия около 10^-15 эВ•В^-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. рисунок 7).

Рисунок 9 — Энергетическая диаграмма полупроводника при воздействии сильного электрического поля и квантовый переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, иллюстрирующий эффект Келдыша-Франца.

Первое отличие примесной фотопроводимости от собственной состоит в меньшей энергии поглощаемых квантов; для очень мелких акцепторных и донорных уровней энергия этих квантов может быть в десятки и сотни раз меньше E_g. В этой связи примесная фотопроводимость открывает широкие возможности создания фотоприемников ИК-диапазона (включая дальний ИКи 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, если в ней Е_g 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, проявляющихся 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 не дают. При типичных значениях Е_g? 1эВ поглощение на свободных носителях может стать заметным на фоне собственного поглощения лишь при концентрациях носителей не менее 10¹⁹ — 10²⁰ см^-3, 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 (рисунок 7) изменится и проводимость образца. Подобный эффект, известный как мфотопроводимость, 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 кулоновского взаимодействия в водородоподобном состоянии, т. е. в форме экситона. Энергия образования экситона примерно 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 справа от л_гр.

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 лишь 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-n-переход, барьер Шотки и т. д.). Образующиеся носители заряда — электроны и дырки — «растаскиваются» встроенным полем в разные стороны от границы, вследствие чего возникает дополнительная, наведенная фото-ЭДС — высота имеющегося потенциального барьера уменьшается. Если разнотипные области выпрямляющей структуры замкнуты внешней электрической цепью, то под действием фото-ЭДС по этой цепи начинает протекать ток и имеет место эффект возбуждения фототока. Явления возникновения фотопроводимости, фото-ЭДС, фототока образуют «физический фундамент», на котором основано действие большинства фотоприемников. Поглощенное излучение, приводящее к разогреву полупроводника, с точки зрения задач оптоэлектроники теряется бесполезно.