Класифікація фотоелектричних ефектів і оптоелектронних приладів, оптичні властивості
На малюнку 1 представлена схема, що ілюструє класифікацію фотоелектричних ефектів.
Фотоелектричним ефектом (фотоефектом) називають процес взаємодії електромагнітного випромінювання з речовиною, в результаті якого енергія фотонів передається електронам речовини.
Фотоелектричні ефекти діляться на зовнішній і внутрішній фотоефекти.
Зовнішній фотоефект пов'язаний з видаленням електронів з кристалів під дією електромагнітного випромінювання.
При внутрішньому фотоефекті електрон виривається з атома під дією електромагнітного випромінювання, але залишається всередині кристалу.
Внутрішній фотоефект лежить в основі фотопровідності і фотовольтаїчному ефектів. Збільшення електропровідності напівпровідника під дією електромагнітного випромінювання називається фотопроводимостью. Крім фотопроводимости електромагнітне випромінювання в напівпровідниках викликає поява фотоЕДС. Ефекти, що призводять до появи фото-ЕРС в напівпровідниках, називаються фотовольтаїчні. Прилади на основі фотоелектричних ефектів називаються оптоелектронними. Оптоелектронні прилади діляться на три групи:
прилади, що перетворюють електричну енергію в оптичне випромінювання (світлодіоди, напівпровідникові лазери);
прилади, детектирующие оптичні сигнали за рахунок протікають під дією електромагнітного випромінювання електронних процесів (фотодетектори);
прилади, що здійснюють перетворення оптичного випромінювання в електричну енергію (фотовольтаїчні прилади, сонячні батареї).
оптичне поглинання
При дії електромагнітного випромінювання з напівпровідником, відбувається взаємодія квантів енергії в обома підсистемами - атомної та електронної, складовими кристал.
Зміна інтенсивності електромагнітного випромінювання, що падає на напівпровідник, можна описати законом Бугера-Ламберта:
де J - інтенсивність електромагнітного випромінювання на відстані x від поверхні; J0 - інтенсивність падаючого на напівпровідник випромінювання; б - коефіцієнт поглинання.
Коефіцієнт поглинання показує ймовірність поглинання кванта енергії на відстані в одиницю довжини [б] = [м -1].
Під дією електромагнітного випромінювання в напівпровідниках утворюються нерівноважні носії заряду внаслідок електронно-доручених переходів, наведених на малюнку 2. Перехід типу 1 відповідає власним поглинання речовини, в результаті якого утворюється пара вільних носіїв заряду, а саме, електрон і дірка. Таке порушення називається біполярним. Електрони в зоні провідності і дірки у валентній зоні, порушені електромагнітним випромінюванням, переходять на рівні з більш високими енергіями (2, 2а малюнок 2). Дане поглинання називається поглинанням на вільних носіях заряду. В результаті поглинання фотонів домішковими атомами і недосконалостями кристалічної решітки, які утворюють енергетичні рівні в забороненій зоні напівпровідника, відбуваються переходи типу 3 і 4. Переходи електронів з примесного рівня в зону провідності (3) або з валентної зони на домішковий рівень (3а) представляють собою домішкові поглинання. Переходах 5, 5а на малюнку 2 відповідає поглинанню на екситонів.
Збуджені світлом надлишкові електрони і дірки беруть участь в процесі електропровідності напівпровідника до тих пір, поки не рекомбінують чи занехають захоплені на локальний енергетичний рівень.
Спектр оптичного поглинання напівпровідника залежить від багатьох факторів, таких як довжина хвилі, частота випромінювання, концентрація центрів поглинання.
Під центрами поглинання розуміють вільні і пов'язані носії заряду, дефекти кристалічної решітки, домішкові і власні атоми.
Малюнок 3 ілюструє залежність коефіцієнта поглинання напівпровідника від довжини хвилі випромінювання.
I Власне поглинання. Власне поглинання відповідає переходу електрона з валентної зони в зону провідності область 1. Для реалізації такого переходу необхідно, щоб енергія поглинених квантів була б дорівнює або більше ширини забороненої зони напівпровідника. На енергетичної зонної діаграмі напівпровідника, малюнок 4, показана реалізація цього процесу.
Область власного поглинання напівпровідників знаходиться або в видимій ділянці, або в інфрачервоній області спектра поглинання. Гранична довжина хвилі, відповідна власним поглинання, визначається за формулою:
де h - постійна Планка; с - швидкість світла у вакуумі; в еВ.
Отже, гранична частота, відповідна власним поглинання, визначається шириною забороненої зони напівпровідника. Коефіцієнт поглинання БНА прямих переходах приблизно дорівнює 10 8 м -1.
При власному поглинанні розрізняють прямі і непрямі переходи електронів, показані на малюнку 5.
Прямі переходи електронів називаються вертикальними переходами. Для таких переходів необхідні енергії квантів велика або рівна ширині забороненої зони.
Непрямі переходи здійснюються між максимумом валентної зони і мінімумом зони провідності, область 2 на малюнку 5. Для реалізації таких переходів необхідні додаткові витрати енергії, які черпаються з енергії кристалічної решітки - фононів. Таким чином, для здійснення поглинання на непрямих переходах електронів необхідно спільна участь квантів теплової та світловий енергій, тому поглинання на непрямих переходах зміщується в короткохвильову область спектра по відношенню до поглинання на прямих переходах. Імовірність непрямих переходів мала, так як для їх реалізації необхідно, щоб фонон і електрон виявилися б в одній точці простору, тому коефіцієнт поглинання б на непрямих переходах невеликий і становить 10 5 м -1.
II Поглинання на домішках. Даному поглинання відповідає область 3 на малюнку 3. Воно реалізується за рахунок переходу електронів з донорних рівнів в зону провідності або з валентної зони на акцепторні рівні. Гранична довжина хвилі поглинання відповідає енергії примесного рівня (БГР
Eпр). З огляду на, що енергія домішкового рівня багато менше ширини забороненої зони напівпровідника, то область примесного поглинання зміщується в інфрачервону область спектра. При цьому щільність станів на домішкових рівні багато менше ефективної щільності станів в зоні провідності (у валентній зоні) за абсолютною величиною, тому коефіцієнт поглинання на домішках на кілька порядків менше власного. В спектрі поглинання можуть бути присутніми окремі смуги, пов'язані з порушенням домішкових атомів (область 4 на малюнку 3).
III Поглинання на екситонів. Збуджений стан основного атома також реалізується, коли електрон не відривається від нього, а лише переходить на один з незаповнених рівнів. Такий стан отримало назву екситонного (від англійського слова exitation - збудження). Відмінність екситонного стану від збудженого стану домішкового атома полягає в тому, що енергія кристала не залежить (в силу трансляційної симетрії, тобто еквівалентності однакових точок різних осередків) від того, який з атомів збуджений, тому збуджений стан може переміщатися по всьому кристалу. В результаті цього утворюються зони екситонних станів. Рух екситонів не створює електричного струму, так як переміщається не електронний, а лише збуджений стан атома. Ексітон можна уявити як спільний рух електрона і дірки, пов'язаних кулоновскими силами і обертаються навколо загального центру ваги; крім цього, така пара може поступально переміщатися по всьому кристалу.
На освіту екситона - збудження атома потрібна менша енергія, ніж на його іонізацію, тому екситонні лінії лежать в спектрі поглинання праворуч від основної смуги, т. Е. В області менших частот і енергій. Ексітонновому поглинання відповідає область 2 на малюнку 3.
IV Поглинання кристалічною решіткою, область 5 на малюнку 3. Частина поглиненої енергії може витрачатися на збільшення коливальної енергії кристалічної решітки. В результаті з'являються вузькі смуги в інфрачервоній області спектра. Для іонних кристалів спостерігається сильне поглинання в далекій інфрачервоній області.
V Поглинання на носіях заряду. Даному виду поглинання відповідає область 6 на малюнку 3. Він реалізується при переході електронів з одних енергетичних рівнів на інші в межах енергетичної зони. Спектр поглинання вільними носіями заряду суцільний і знаходиться в довгохвильовій інфрачервоній області спектра.