Меню

Что такое фотопроводимость единицы измерения фотопроводимости



Фотопроводимость

Фотопроводи́мость — явление изменения электропроводности вещества при поглощении электромагнитного излучения [1] .

Содержание

Физическая природа

Фотопроводимость свойственна полупроводникам. Электропроводность полупроводников ограничена нехваткой носителей заряда. При поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Оба носителя заряда при приложении к полупроводнику напряжения создают электрический ток.

При возбуждении фотопроводимости в собственном полупроводнике энергия фотона должна превышать ширину запрещенной зоны. В полупроводнике с примесями поглощение фотона может сопровождаться переходом из расположенного в запрещённой зоне уровня, что позволяет увеличить длину волны света, который вызывает фотопроводимость. Это обстоятельство важно для детектирования инфракрасного излучения. Условием высокой фотопроводимости является также большой коэффициент поглощения света, который реализуется в прямозонных полупроводниках.

Применение

Явление фотопроводимости используется в датчиках света, в частности в фоторезисторах. Фотопроводимость важна также для детектирования инфракрасного излучения и применяется, например, в приборах ночного видения. Увеличение проводимости при освещении используется также в ксерографии, при которой электрические заряды стекают с засвеченных мест предварительно наэлектризованой поверхности полупроводникового барабана. Явление фотопроводимости также используется для определения электрических свойств полупроводниковых структур.

См. также

В этой статье не хватает ссылок на источники информации.

Примечания

  1. Никс Ф. «Фотопроводимость» УФН (3) (1933).

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое «Фотопроводимость» в других словарях:

фотопроводимость — фотопроводимость … Орфографический словарь-справочник

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ — фоторезистивный эффект, увеличение электропроводности полупроводника под действием электромагн. излучения. Впервые Ф. наблюдалась в Se У. Смитом (США) в 1873. Обычно Ф. обусловлена увеличением концентрации подвижных носителей заряда под действием … Физическая энциклопедия

фотопроводимость — Электропроводность полупроводника, обусловленная фоторезистивным эффектом. [ГОСТ 22622 77] фотопроводимость Свойство вещества изменять свою электропроводность под действием оптического излучения [ГОСТ 21934 83] фотопроводимость Изменение… … Справочник технического переводчика

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ — увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости увеличение концентрации носителей заряда электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне … Большой Энциклопедический словарь

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ — способность вещества изменять свою электропроводность под действием оптического излучения. Различают Ф. примесную (обусловленную ионизацией атомов донорной или акцепторной примеси) и собственную (обусловленную генерацией пар «электрон… … Большая политехническая энциклопедия

фотопроводимость — увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости увеличение концентрации носителей заряда электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. * * * ФОТОПРОВОДИМОСТЬ ФОТОПРОВОДИМОСТЬ… … Энциклопедический словарь

Фотопроводимость — фоторезистивный эффект, увеличение электропроводности полупроводника (См. Полупроводники) под действием электромагнитного излучения. Впервые Ф. наблюдалась в Se У. Смитом (США) в 1873. Обычно Ф. обусловлена увеличением концентрации… … Большая советская энциклопедия

Фотопроводимость — 24. Фотопроводимость Электропроводность полупроводника, обусловленная фоторезистивным эффектом Источник: ГОСТ 22622 77: Материалы полупроводниковые. Термины и определения основных электрофизических параметров … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

фотопроводимость — Рhotoconductivity Фотопроводимость Увеличение электрической проводимости полупроводника под действием света. Причина фотопроводимости увеличение концентрации носителей заряда электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне … Толковый англо-русский словарь по нанотехнологии. — М.

фотопроводимость — fotoelektrinis laidumas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. photoconduction vok. Photoleitung, f rus. фотопроводимость, f pranc. photoconduction, f … Automatikos terminų žodynas

Источник

ФОТОПРОВОДИМОСТЬ

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .

(фоторезистивный эффект) — изменение электропроводности среды, обусловленное действием эл.-магн. излучения. Ярко выражена в полупроводниках и диэлектриках. Впервые наблюдалась У. Смитом (W. Smith, 1873) в аморфном Si (см. Аморфные и стеклообразные полупроводники). Ф. возникает из-за изменения либо концентрации носителей заряда (к о н ц е н т р а ц и о н н а я Ф.), либо их подвижности под действием излучения (см. Подвижность носителей заряда). В зависимости от механизма поглощения излучения различают Ф. с о б с т в е нн у ю, п р и м е с н у ю и в н у т р и з о н н у ю.

Собственная и примесная фотопроводимости. В основе собств. и примесной Ф. лежит внутр. фотоэффект, т. е. либо оптич. генерация пар электрон — дырка (при собственной Ф.), либо фотоотрыв носителя заряда от заряж. примесного центра (при примесной Ф.). Генерируемые при внутр. фотоэффекте свободные носители заряда наз. ф от о н о с и т е л я м и.

Читайте также:  Техника измерения давления газа

Изменение уд. электропроводности а однородного полупроводника под действием излучения равно

где Dn, Dp — изменения концентраций электронов проводимости ( п )и дырок (p), m n ,m p -их подвижности. Величины Dn,Dp определяются квантовым выходом Y внутр. фотоэффекта, т. е. числом генерируемых электронно-дырочных пар (при собств. Ф.) или числом генерируемых носителей (при примесной Ф.) в расчёте на один поглощённый фотон, а также временем жизни фотоносителей (до их рекомбинации или захвата примесными центрами). Если Ф. (собственная) определяется подвижными фотоносителями обоих знаков, её называют б и п о л я р н о й. В тех случаях, когда хотя и генерируются фотоносители обоих знаков, но фотоносители одного типа имеют ничтожные подвижность и время жизни, а также при примесной Ф., когда генерируются фотоносители только одного знака, Ф. наз. м о н о п о л я р н о й.

Так как импульс фотона, как правило, пренебрежимо мал по сравнению с импульсом электрона, требование одноврем. выполнения законов сохранения энергии и импульса приводит к тому, что переходы электронов с участием только одного фотона оказываются возможными лишь между состояниями, в к-рых импульс электрона практически один и тот же («прямые», или «вертикальные», переходы). Однако этот запрет может нарушаться за счёт взаимодействия электронов или дырок с фононами. Последнее приводит к «непрямым» переходам с изменением как энергии, так и импульса электрона и испусканием или поглощением фонона. Исследования зависимости Ф. от энергии фотонов hw позволяют по их мин. энергии, ещё вызывающей Ф., определять энергетич. щели между уровнями или зонами (см. Полупроводники).

Внутризонная фотопроводимость связана с изменением подвижности носителей заряда при их перераспределении по энергетич. состояниям в результате поглощения излучения. К процессам, вызывающим внутризонную Ф., относят: оптич. переходы носителей заряда внутри одной зоны, к-рые возможны благодаря рассеянию носителей на примесях и фононах (см. Рассеяние носителей заряда в твёрдом теле); прямые оптич. переходы между подзонами дырочной зоны в полупроводниках р- типа («лёгкие» и «тяжёлые» дырки, см. Зонная теория); переходы между подзонами размерного квантования в полупроводниковых структурах (см. Квантовые размерные эффекты). Внутри-зонная Ф. впервые наблюдалась Моссом и Хокинзом (1960) в p-Ge (переходы между подзонами дырок) и Ролли-ном (1961) в n-InSb (внутризонное поглощение).

При внутризонной Ф. может изменяться подвижность как тех носителей, к-рые непосредственно поглотили излучение, так и всех носителей заряда из-за перераспределения поглощённой энергии, обусловленного межэлектронным рассеянием. Как правило, определяющую роль играет второй процесс. Если время перераспределения энергии мало по сравнению с временем релаксации энергии носителей т, то Ф. можно рассматривать как результат изменения темп-ры газа носителей Т н при поглощении излучения. В этом случае Знак dm/dT н и Ds может быть как положительным, так и отрицательным. Знак Ds определяется также знаком изменения электронной темп-ры dT e . Как правило, dT e >0, однако возможно охлаждение газа при поглощении света. Охлаждение наблюдается, напр., в p-Ge при оптич. переходе дырок из подзоны «тяжёлых» дырок в подзону «лёгких» и быстром рассеянии энергии «лёгких» дырок на оптич. фононах. С изменением энергии фотонов знак Ds изменяется и внутризонная Ф. осциллирует, изменяя знак.

«Остывание» фотоносителей. Если генерируемые светом носители имеют энергии , превышающие ширину запрещённой зоны полупроводника, то такие т. н. горячие носители могут терять энергию на создание дополнит. электронно-дырочных пар; в результате Y>1 (рис. 1). Длина пробега носителей при этом зависит от и меняется от неск. нм при до 1 нм при и до неск. десятков нм при кэВ (время пробега t

10 -14 c). При осн. механизм потерь энергии — рассеяние на фононах. При , превышающих энергию оптич. фонона, носители теряют энергию путём последоват. испускания оптич. фононов. При этом характерное время их пробега t опт

10 -13 c. После того как остаточная энергия носителей оказывается меньше , дальнейшее их «остывание» происходит путём испускания акустич. фононов или за счёт межэлектронных столкновений. Соответствующие времена релаксации энергии на неск. порядков больше т опт (см. Горячие электроны).

Рис. 1. Зависимость квантового выхода Y в Ge от энергии фотонов.

Остаточная энергия носителей, быстро испустивших максимально возможное число (n макс ) оптич. фононов, равна Она изменяется от 0 до в зависимости от (2p/h)w. В слаболегированных полупроводниках эфф. подвижность горячих фотоносителей зависит от , поэтому Ds осциллирует как ф-ция с частотой W. В сильнолегированных полупроводниках энергия передаётся сначала не акустич. фононам, а газу носителей; в зависимости от величины переданной энергии изменяется ср. подвижность носителей. Это также приводит к осцилляци-ям Ds с частотой w.

Читайте также:  Прибор измерения влажности продать

Спектр фотоносителей. Благодаря зависимости квантового выхода Y от энергии фотонов (рис. 1) спектр Ф. отличается от спектра оптич. поглощения кристаллов. Отличие возникает также из-за того, что процесс «остывания» фотоносителей не является мгновенным: поэтому часть их может иметь энергии, значительно превышающие равновесную энергию при данной темп-ре кристалла. Вклад этих «горячих» фотоносителей в Ф. зависит от отношения между временем релаксации энергии и временем жизни носителей, а также от первонач. энергии фотоносителей. На кривых рис. 2 и рис. 3 отчётливо проявляется резкий длинноволновый спад Ф. По его положению можно определить ширину запрещённой зоны

Рис. 2. Спектральное распределение собственной фото проводимости в Ge.

Зависимость Ds от интенсивности излучения. Ани зотропия фотопроводимости. Обычно при малых интенсивностях I излучения Ф. пропорциональна I, т. е. тензор изменения электропроводности Ds ij является билинейной ф-цией компонент электрич. вектора E k поля излучения (k = x, у, z): Ds ij =g ijkl E k E l . Тензор 4-го ранга g ijkl наз. тензором Ф. Он определяет не только величину Ds, но и её анизотропию.

Ф. анизотропна даже в средах с изотропными статич. электропроводностью и оптич. диэлектрической проницаемостью. Это проявляется в зависимости Ф., возникающей под действием поляризованного излучения, от ориентации плоскости поляризации света относительно кристаллогра-фич. осей, а также в появлении поперечного электрич. поля и поперечной фотоэдс между боковыми контактами образца. Один из возможных механизмов анизотропных фото-электрич. эффектов состоит в анизотропии распределения по квазиимпульсам фотоэлектронов, генерируемых поляризованным излучением. Анизотропные фотоэдектрич. эффекты в изотропных средах описываются определ. компонентами тензора gijkl.

Рис. 3. Спектральное распределение примесной проводи мости в Ge, связанное с примесью Сu.

Инерционность фотопроводимости определяется наиб. временем релаксации кинетич. процессов, к-рые определяют Ф. Обычно это время жизни фотоносителей, а в случае внутризонной Ф.- время рассеяния энергии или время межподзонной релаксации. Время жизни фотоносителей уменьшается по мере увеличения концентрации рекомбина-ционных центров (или захватывающих примесных центров), но оно не может быть меньше времени релаксации энергии в том же материале.

Ф. следует отличать от болометрич. эффекта — изменения проводимости при нагреве полупроводника излучением, когда одинаково повышаются Т как электронной подсистемы, так и подсистемы фононов; в отличие от Ф., инерционность болометрич. эффекта определяется теплопроводностью- скоростью передачи тепла термостату (см. Болометр).

В нек-рых веществах при низких темп-pax время релаксации Ф. столь велико, что вызванное облучением изменение проводимости Ds не падает заметно со временем (з а м о р о ж е н н а я Ф.). Существуют два осн. механизма возникновения замороженной Ф. Первый связан с разделением неравновесных носителей внутр. электрич. полями неоднородностей. При этом для рекомбинации требуется преодоление высокого потенц. барьера, что приводит к экспоненциальному возрастанию времени жизни неравновесных носителей. Замороженная Ф. такого типа чаще всего встречается в соединениях A II B VI . Второй механизм связан с наличием центров, сильно взаимодействующих с кристаллич. решёткой. Захват носителей на них требует перестройки решётки и потому осуществляется аномально медленно. Примером таких центров являются т. н. DX -центры в твёрдых растворахAl x Ga 1-x As, приводящие к замороженной Ф. в гетероструктурахGaAs-Al x Ga 1-x As. Явление замороженной Ф. может использоваться в системах оптич. памяти, но играет и от-рицат. роль, приводя к временной нестабильности характеристик полупроводниковых приборов.

Аномальная фотопроводимость. В ряде случаев величина Ф. не зависит от интенсивности излучения (при стационарном освещении) и зависит лишь от его спектрального состава. Такая аномальная Ф. впервые обнаружена в плёнках аморфного Si (после выдержки в парах Hg) в 1961. Максимум Ф. соответствует С ростом темп-ры l увеличивается, а при T>180 K аномальная Ф. исчезает, что, вероятно, объясняется наличием удерживающих центров или неоднородностью проводимости. На основе аномальной Ф. возможно создание детекторов цвета и элементов памяти.

На явлении Ф. основана работа чувствительных полупроводниковых приёмников излучения (см. Фоторезистор).

Лит.: Тауц Я., Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках, пер. с чеш., М., 1962; Рывкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Moss Т. S., Hawkins Т. D. Н., Interband photoconductivity in germanium, «Proc. Phys. Soc.», 1960, v. 76, p. 565; Rollin B. V., Detection of millimetre and sub-millimetre wave radiation by free carrier absorption in a semiconductor, «Proc. Phys. Soc.», 1961, v. 77, p. 1102; Фотопроводимость. Сб. ст., пер. с англ., М., 1967; Шейнкман М. К., Шик А. Я., Долговременные релаксации и остаточная проводимость в полупроводниках, «ФТП», 1976, т. 10, с. 209; Корсунский М. И., Аномальная фотопроводимость и спектральная память в полупроводниковых системах, М., 1978.

Читайте также:  Ремонт радиоэлектронных средств измерений

Е. В. Берегулин, С. Д. Ганичев, Ш. М. Коган, А. Я. Шик, И. С. Шлимак.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Источник

4.1. Фотопроводимость

При освещении полупроводника в нем возможно перераспреде­ление электронов по энергетическим состояниям и увеличение кон­центрации носителей заряда. Это явление называют внутренним фотоэффектом. Рассмотрим механизмы генерации носителей заря­да. Под действием света электрон может перейти из валентной зоны в зону проводимости. В процессе взаимодействия фотона с электроном энергия фотона целиком передается электрону. По­скольку для перехода электрона из валентной зоны в зону прово­димости необходимо сообщить ему энергию, равную или большую энергии запрещенной зоны (Е3), то энергия фотона (hv) должна быть рав­ной или большей Е3. Энергия фотона передается электрону в виде кинетической энергии.

Механизм возникновения в полупроводнике в результате оптического возбуждения равного числа носителей заря­дов обоих знаков называют биполярной световой генерацией. В по­лупроводнике n-типа возможен, переход электронов с примесных уровней в зону проводимости. Энергия фотона в этом случае:

где – энергия ионизации примесных атомов. В полупроводнике р-типа фотоны возбуждают переходы электронов из валентной зоны на уровень акцепторов. И в этом случае энергия фотона (рис. 4.1).

Возникновение в полу­проводнике в результате оптического возбуждения неравновесных носителей заряда одного знака называют монополярной световой генерацией. Носители, возбуждаемые светом, называют фотоносите­лями. Их концентрация зависит от интенсивности и частоты излу­чения. Изменение электрического сопротивления полупроводника под действием оптического излучения называют фоторезистивным эффектом. Электропроводность полупроводника, обусловленная фоторезистивным эффектом, называют фотопроводимостью.

Полная электропроводность полупроводника складывается из темновой (σт), осуществляемой равновесными носителями заряда, и фо­топроводимости (σф):

Роль фотопроводимости в общей электропроводности тем боль­ше, чем ниже температура, т.е. чем ниже темновая электропровод­ность. Носители заряда, возбужденные фотонами в зоне проводи­мости, могут иметь большую энергию, чем равновесные носители. В этом случае фотоносители располагаются на более высоких энер­гетических уровнях зоны проводимости, чем равновесные. В тече­ние очень малого промежутка времени (10 –10 – 10 -12 с) за счет взаимодействия с решеткой фотоносители передают ей свою избы­точную энергию и переходят на свободные нижние уровни зоны проводимости. Подвижность неравновесных носителей такая же, как у равновесных. Можно, следовательно, написать:

где и концентрации фотоно­сителей.

Рассмотрим полупроводниковую пластину с равновесной кон­центрацией носителей заряда . Если такую пластину осветить прямоугольным импульсом света Ф (рис.4.2), то стационарное зна­чение фотопроводимости будет достигнуто не сразу, а через неко­торое время от начала освещения. Под действием света скорость генерации носителей заряда возрастает. Увеличение концентрации носителей приводит к повышению скорости рекомбинации. Посколь­ку скорость генерации при постоянной интенсивности излучения не меняется, то через некоторое время скорость рекомбинации станет равной скорости генерации, и в полупроводнике установится ста­ционарная фотопроводимость.

Рис. 4.2. Изменение кон­центрации носителей за­ряда в полупроводнике n при освещении его пря­моугольным импульсом света Ф 1

Изменение концентрации носителей заряда в процессе генера­ции находим, дифференцируя концентрацию фотоносителей по в
ре­мени:

Число рекомбинирующих в единицу времени носите­лей определяется концентрацией фотоносителей и временем их жизни ( ):

Если g количество электронов, генерируемых све­том в единицу времени, то изменение концентрации носителей за­ряда в состоянии равновесия будет описываться следующим кине­тическим уравнением:

Интегрируя это выражение, получаем:

Изменение концентрации носителей заряда при освещении под­чиняется экспоненциальному закону с постоянной времени, равной времени жизни неравновесных носителей заряда.

После прекращения освещения неравновесные носители рекомбинируют, и их концентрация уменьшается вплоть до того момен­та, когда в полупроводнике установится равновесное состояние. Кинетическое уравнение приобретает вид:

Решением его будет выражение:

Концентрация неравновесных носителей заряда уменьшается по экспоненциальному закону. За время, равное времени жизни но­сителей, концентрация неравновесных носителей уменьшится в е раз.

Изменение концентрации фотоносителей ведет к изменению фотопроводимости:

Подставляя в это выражение значение , получим:

Отсюда можно сделать вывод, что закон изменения фотопрово­димости такой же, как и для изменения концентрации фотоноси­телей.

На основе фоторезистивного эффекта созданы полупроводниковые приборы – фоторезисторы, получившие широкое распростране­ние в автоматических устройствах сигнализации, регулирования, защиты, а также в фото- и киноаппаратуре.

Источник