Физический процесс внутреннего освобождения электронов фотонами, т. е. квантами электромагнитного излучения, называется внутренним фотоэффектом, а добавочная электропроводность, обусловленная этим процессом, называется фотопроводностью.

На энергетической диаграмме полупроводника (рис. 3.2,б) с донорной примесью W_пр – энергия активации примеси, а W_g – ширина запрещенной зоны полупроводника. Чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону примесную, или из примесной в зону проводимости, нужно затратить энергию.

Энергия фотона

                      ,                                       (3.14)

где h = 6,6∙10^-34 – постоянная Планка, Дж∙с;

ν – частота электромагнитного излучения, 1/с;

с = 3∙10⁸ – скорость света в вакууме, м/с;

 – длина волны электромагнитного излучения, м.

Фотоэлектрические свойства полупроводников рассмотрим на примере фоторезисторов и фотоэлементов.

Фоторезистивный эффект

Если энергия фотона W_Ф, попадающего на поверхность полупроводника, больше энергии примеси W_Ф  W_пр – возникает примесная фотопроводимость; если W_Ф больше ширины запрещенной зоны полупроводника W_Ф > W_g – возникает собственная фотопроводимость; если полупроводник не подвергается облучению – он обладает темновой электропроводимостью – γ_т.

Каждый фотон, воздействующий на полупроводник, при условии
W_Ф  W_g, способен перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости и создать пару носителей – электрон и дырку.

Когда электронно-дырочных пар становится много, увеличивается вероятность их рекомбинации, т. е. возвращение электрона на свое место в валентную зону. Поэтому при увеличении интенсивности светового потока F_Ф рост фотопроводимости будет замедляться, как показано
на рис. 3.8 На рис. 3.9 приведены спектральные характеристики фотосопротивлений – зависимость чувствительности полупроводника – в процентах, от длины волны – λ падающего на него лучистого потока. Видим, что максимальная чувствительность наблюдается в сравнительно узком диапазоне длин волн излучения, например для ФС1 и для ФС2.

Рис. 3.8. Интегральная характеристика фотосопротивления

Рис. 3.9. Сравнительные характеристики фотосопротивления

Объяснить сравнительную характеристику можно следующим образом:

а) при больших длинах волн энергии фотона недостаточно для перевода электрона в зону проводимости – чувствительность мала;

б) по мере уменьшения λ энергия фотона растет и увеличивается чувствительность;

в) когда частота излучения совпадает с собственной частотой материала полупроводника, наступает явление резонанса, чувствительность довольно интенсивно возрастает;

г) с дальнейшим ростом частоты излучения чувствительность начинает падать, так как увеличивается коэффициент поглощения k излучения в поверхностном слое; увеличивается рекомбинация на поверхности и чувствительность становится низкой (рис. 3.9).

Каждый материал имеет свой спектр поглощения и свой спектр излучения, а также свою собственную частоту колебаний. Для каждого вещества известны эти частотные спектры, они сведены в таблицы – полосы. По спектральной характеристике можно определить исследуемый материал, а по всплескам (пикам) на основной спектральной характеристике можно определить, какие примеси содержит данное вещество в своем составе (спектральный анализ).

На описанных фотосвойствах полупроводниковых материалов основана работа полупроводниковых фоторезисторов, фотоэлементов и др. приборов. Чувствительность их может лежать в ультрафиолетовой области спектра (частота до 3,5∙10¹⁴ с^-1), видимой части (частота от 4∙10¹⁴ до 8∙10¹¹ с^-1), инфракрасной части ( от 8∙10¹¹ с^-1).

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект наблюдается в фотоэлементах, которые служат для преобразования световой (лучистой) энергии в электрическую (в солнечных батареях, вентильных элементах).

В основе устройства ФЭ лежит р-n переход (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Устройство ФЭ

Когда лучистый поток падает на прозрачную для него верхнюю часть фотоэлемента, и если энергия фотонов W_Ф  W_g полупроводника, то в верхней части будут образовываться электроны и дырки. Они диффундируют вглубь полупроводника, подходят к р-n переходу и здесь происходит их разделение. Неосновные носители заряда (для верхней области) втягиваются в нижнюю часть полупроводника, свободно проходя через потенциальный барьер, а основные носители заряда не проходят и скапливаются в верхней части. Таким образом, вверху скапливается один тип носителей, внизу – противоположный тип. Любое скопление противоположных носителей заряда создает электрическое поле. Это и будет фотоэлектродвижущая сила, которая используется как источник электрической энергии.

На этом принципе работают солнечные батареи, вентильные элементы – возобновляемые источники энергии.

Для изготовления фоторезисторов используются различные полупроводниковые соединения, типа PbS, CdS и др.

Для изготовления фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в электрическую, обычно используются полупроводники, имеющие ширину запрещенной зоны: 1 эВ < W_g < 3 эВ; это Si, Se, GaAs и др.

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляет фотоэффект?

2. При каких значениях энергии фотона возникает фотопроводимость?

3. Поясните спектральную характеристику полупроводника.

4. Как можно преобразовать световую энергию в электрическую?

5. Поясните интегральную характеристику фоторезистора.