Физика полупроводников - Лазарь С.С.
Скачать (прямая ссылка):
которая образуется в результате коллективизации уровней,
соответствующих ионизации атома.
Мотт предложил рассматривать экситон как совместное
движение электрона и дырки, вращающихся синхронно по
квантованной орбите вокруг общего центра тяжести и одновременно
движущихся поступательно по кристаллу. При этом радиус орбиты
определяется главным квантовым числом, т. е. номером экситонного
состояния (или экситон- ной зоны), а скорость поступательного
движения - положением уровня в зоне.
На первый взгляд кажется, что спектр поглощения,
обусловленный возбуждением экситонных состояний, должен
состоять из серии постепенно расширяющихся полос, ширина
каждой из которых равна ширине соответствующей экситонной
зоны. В действительности это неверно: дело в том, что, как мы уже
неоднократно упоминали, импульс
408
фотона hvlc очень мал. Поэтому под действием света могут
образовываться только неподвижные экситоны, соответствующие
нижним состояниям каждой зоны. Поэтому спектр экситонного
поглощения состоит из серии дискретных линий, расширяющихся с
ростом температуры за счет тепловых колебаний атомов.
9. 2. ФОТОПРОВОДИМОСТЬ
СПЕКТРАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
Спектральное распределение фоточувствительности зависит от
того, что является источником фотоэлектронов - примесные
центры или валентная зона (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Схема спектрального распределения поглощения и фото-
чувствительности:
1 - полоса собственного поглощения; 2 - примесное поглощение, соответствующее
ионизации примесных атомов; 3 и 4 - кривые, соответствующие возбуждению
примесных атомов; 5, 6 и 7 - кривые спектрального распределения
фоточувствительности при примесном фотоэффекте; 8 - спектральное распределение
фоточувствительности при собственном фотоэффекте.
В случае примесного фотоэффекта спектральное распределение
фоточувствительности (кривая 5) обычно совпадает с широкой
полосой поглощения, соответствующей переходу с примесных
уровней в зону проводимости (кривая 2). В некоторых случаях,
впрочем, в центре полосы поглощения наблюдается провал
фоточувствительности (кривая 6), который объясняется тем, что в
этой области при большой концентрации примесей поглощение
очень велико и весь свет поглощается в поверхностном слое полу-
проводника. При этом скорость рекомбинации носителей
оказывается очень велика (за счет поверхностной рекомбинации и
большой концентрации фотоносителей) и время жизни носителей
очень мало. Кроме того, эффективная
409
подвижность носителей в поверхностном слое значительно ниже,
так как движению носителей препятствуют многочисленные
дефекты приповерхностного слоя.
При достаточно высоких температурах может быть достаточно
эффективной и двухступенчатая ионизация- электрон переводится
светом в возбужденное состояние на примесном центре, а затем
тепловым движением перебрасывается в зону проводимости. При
этом появляется дополнительная область фоточувствительности
(кривая 7) в полосе поглощения (кривая 3), соответствующей
возбуждению примесных центров. По этой же причине при
достаточно высоких температурах может наблюдаться фотоэффект в
области экситонного поглощения.
При "собственной" фотопроводимости красная граница
фотоэффекта Ят (кривая 8) совпадает с красной границей
собственного поглощения (кривая /). Однако по мере увеличения
коэффициента поглощения фоточувствительность сначала достигает
максимума, а затем более или менее быстро спадает. Этот факт
объясняется причинами, о которых мы упоминали выше: малыми
временами жизни и эффективной подвижностью в поверхностном
слое.
Примесная фотопроводимость. Мы проиллюстрируем этот
вопрос на примере двухатомной молекулы, а затем
перенесем полученные выводы на кристалл. На рис. 9.3, а
представлена двухатомная молекула в нормальном состоянии и на
рис. 9.3, б - в возбужденном; в последнем случае в одном из атомов,
образующих молекулу, валентный элек-
СРАВНЕНИЕ ОПТИЧЕСКОЙ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
АКТИВАЦИИ
*)
б)
Рис. 9.3. Схема двухатомной молекулы в нормальном
(а) и возбужденном (б) состояниях.
410
трон находится на возбужденной орбите и при этом радиус этого
атома соответственно возрастает. На рис. 9.4 представлена
зависимость энергии молекулы от расстояния между центрами
атомов для нормального (кривая а) и возбужденного (кривая б)
состояний. Как видно из рисунка, во втором случае равновесное
расстояние между атомами больше на величину -d0 и минимальная
энергия молекулы
больше на величину <?т, необходимую для перевода электрона в
возбужденное состояние. Эта величина и будет соответствовать
энергии термического возбуждения атома. При этом сам механизм
возбуждения можно представить следующим образом.
На рис. 9.4 горизонтальными тонкими линиями представлены
колебательные уровни молекулы в нормальном и возбужденном
состояниях. Если энергия теплового движения будет достаточно
велика, то молекула может оказаться в состоянии 5,
