Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках, страница 11

В сильном электрическом поле коэффициент поглощения вблизи края фундаментального поглощения сдвигается в длинноволновую область и испытывает осцилляции от частоты электромагнитной волны (эффект Франца-Келдыша).

На рисунке 7.7 представлено пояснение данного эффекта. Электрон валентной зоны из области справа (где потенциал выше) может перейти в состояние в зоне проводимости находящееся левее (где потенциал ниже). Пространственно разделённые электрон и дырка могут также рекомбинировать с излучением фотона. Для численного анализа коэффициента поглощения необходимо считать матричный элемент данного перехода. Таким образом,  экспериментально наблюдаемые осцилляции [2.1] могут быть объяснены теоретически [2.7].

Рисунок 7.7. Пояснение эффекта Франца-Келдыша.

Прикладывая периодическое электрическое поле к поверхности полупроводника, можно промодулировать коэффициент отражения (известная методика электроотражения [2.1]).

Оптические константы полупроводника могут также зависеть от интенсивности электромагнитной волны (нелинейные эффекты). Так, может наблюдаться эффект «просветления» полупроводника при воздействии мощного импульса излучения. Природа данного эффекта похожа на природу эффекта Бурштейна-Мосса. При мощной накачке занимаются состояния в зоне проводимости и опустошаются состояния в валентной зоне, так что прямые переходы из валентной зоны в зону проводимости становятся невозможными.

Лекция 21. Фотоэлектрические явления в полупроводниках и их применение.

Внешний фотоэффект. Работа выхода, электронное сродство, фотокатод. Внутренний фотоэффект. Фотосопротивление. Фото ЭДС, эффект Дембера. Фотодиод, солнечные фотоэлементы, лавинный фотодиод.

Внешний фотоэффект. Фотокатод.

В 1887 г. Герц заметил, что освещение отрицательного электрода УФ излучением стимулирует газовый разряд между электродами. Спустя несколько лет Томпсон продемонстрировал, что этот эффект связан с эмиссией электронов из освещенного катода. За правильную интерпретацию фотоэффекта в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская Премия. Он объяснил наличие «красного» порога фотоэффекта, тем, что свет состоит из дискретных квантов с энергией , при этом энергия электрона равна:

                                                                                 7.30

где I – энергетический порог фотоэмиссии (или энергия ионизации).

Так как термическая эмиссия электронов – очень важный процесс для работы электронных ламп (основной прибор электроники до полупроводниковой эпохи), этот порог был достаточно хорошо исследован. Оказалось, что величина I (для металлов совпадает с работой выхода - разность между минимальной энергией электрона в вакууме и их уровнем Ферми в металле) может зависеть (даже для металлов), от качества поверхности и от ее ориентации. Так, для металлов щелочной группы (литий, калий, цезий) она составляет ~2.1 эВ, а для платины 5.4 эВ.

В полупроводниках все гораздо сложнее, уровень Ферми зачастую находится в запрещенной зоне, и, фотоэффект в них характеризуется параметрами, приведенными на рисунке 7.8.

Рисунок 7.8. Определение понятий: электронного сродства c, работы выхода f и энергии порога фотоэмиссии I.

Для полупроводников, эти параметры зависят от состояния поверхности – наличия на ней примесей и ее реконструкции. Так, для полупроводников с чистыми поверхностями, порог фотоэмиссии составляет обычно 5-7 эВ, а для GaAs с монослоем цезия на поверхности становится равным всего 1.4 эВ (электронное сродство при этом может быть отрицательной величиной – E_c вблизи поверхности находится выше уровня вакуума). Это позволяет использовать GaAs:Cs в качестве фотокатодов в фотоэлектронных умножителях, работающих в инфракрасной области спектра. Фотокатод – чувствительный элемент в фотоэлектронных преобразователях. Эти приборы позволяют регистрировать отдельные фотоны и широко используются в технике. Важнейшей характеристикой фотокатода является его квантовый выход – с какой вероятностью каждый фотон родит фотоэлектрон. Важная характеристика также темновая генерация фотоэлектронов – чем меньше её вероятность, тем меньше темновые шумы прибора. Для того, ч тобы увеличить соотношение сигнал/шум, фотокатоды часто охлаждают.