Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект – изменение электропроводности полупроводников или возникновение фото-ЭДС в p-n переходах за счет перераспределения электронов по энергетическим состояниям в полупроводниках, происходящее при поглощении света.

В отличии от внешнего внутренний фотоэффект обнаруживается по изменению концентрации носителей заряда внутри среды, т.е. по появлению фотопроводимости. Как и при внешнем фотоэффекте, поглощение одного фотона приводит к возбуждению одного атома, поэтому фототок зависит от интенсивности падающего светового потока. При небольшой интенсивности светового потока выполняется закон Столетова (см. раздел 1.2 данного сборника).

Механизм внутреннего фотоэффекта можно пояснить с помощью зонной теории. На рисунке 2.1 приведены схемы расположения энергетических уровней для идеального (без примесей) и реального (с примесями) полупроводника. При абсолютном нуле валентные электроны полупроводника и диэлектрика полностью заполняют валентную зону.

Рисунок 2.1. Схема расположения энергетических уровней:

а) в собственном п/п; б) в донорном п/п; в) в акцепторном п/п

(W_В1 - W_В2)- валентная зона разрешенных значений энергии, полностью заполненная электронами. Следующая разрешенная зона энергий, зона проводимости (W_n1 – W_n2), разделена с валентной зоной запрещенным участком, запрещенной зоной ΔW. Для перехода из валентной зоны в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию, равную или несколько большую ширины запрещенной зоны. Поглотив фотон с энергией hυ ≥ ΔW, электрон переходит в зону проводимости и становится свободным, а на его месте образуется «дырка». Возникает биполярная проводимость (электронная и дырочная), которая возрастает с увеличением числа свободных электронов и дырок.

Если ввести в кристалл полупроводника (или диэлектрика) акцепторные или донорные примеси, то фотоэффект может возникнуть при облучении светом меньшей частоты, так как энергетическое расстояние от валентной зоны до акцепторного W_а и от донорного уровня W_d до зоны проводимости W_n1 меньше ширины запрещенной зоны данного полупроводника. В этом случае возникает монополярная (электронная или дырочная) проводимость.

Для каждого полупроводника (и диэлектрика), собственного или примесного, существует минимальная частота (красная граница), при которой еще возможен фотоэффект:

ν₀ = ΔW / h, ν₀ = ΔW_a / h, ν₀= ΔW_d / h (2.1)