Фотопроводимость

Определение и сущность явления Фотопроводимость — это явление изменения электрической проводимости твёрдого тела под воздействием света. В основе лежит процесс генерации носителей заряда (электронов и дырок) при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны материала. В отличие от тёмной проводимости, которая определяется тепловой активацией носителей, фотопроводимость контролируется интенсивностью и спектральным составом падающего излучения.

Механизм фотопроводимости

Возбуждение электронов: фотон поглощается кристаллической решёткой или примесным центром, вызывая переход электрона из валентной зоны в зону проводимости. Энергия фотона (h) должна удовлетворять условию (hE_g), где (E_g) — ширина запрещённой зоны.
Рекомбинация: возбуждённые электроны могут рекомбинировать с дырками, высвобождая энергию в виде тепла или света (люминесценция). Скорость рекомбинации определяет эффективное время жизни носителей заряда.
Носители в дефектных зонах: примеси и структурные дефекты создают локализованные уровни внутри запрещённой зоны. Они способствуют фотогенерации при меньших энергиях фотонов и удлиняют время жизни носителей, что повышает фотопроводимость.

Виды фотопроводимости

Прямая фотопроводимость: наблюдается в полупроводниках, когда фотон непосредственно создаёт электронно-дырочную пару.
Обратная фотопроводимость: возникает при присутствии центров захвата носителей, когда поглощение фотона увеличивает вероятность захвата носителей и снижает проводимость.
Спектральная фотопроводимость: характеризует зависимость проводимости от длины волны падающего излучения, позволяя выявлять энергетическую структуру примесных и дефектных уровней.

Законы и зависимости

Закон квадратичного роста: при малых интенсивностях света фототок пропорционален интенсивности (I), при высоких интенсивностях возможна сублинейная зависимость из-за насыщения центров захвата.
Зависимость от температуры: повышение температуры усиливает тёмную проводимость, уменьшая относительное изменение проводимости при освещении.
Длительная и кратковременная фотопроводимость: длительная возникает при медленной рекомбинации носителей в глубоких ловушках; кратковременная — при быстрой рекомбинации вблизи зоны проводимости.

Материалы с выраженной фотопроводимостью

Кремний и германий: классические полупроводники, фотопроводимость которых определяется прямыми переходами между валентной зоной и зоной проводимости.
Сернистые и селенистые соединения: фотопроводимость сильно зависит от примесей и дефектов.
Композиты и органические полупроводники: демонстрируют широкий спектральный отклик и медленную рекомбинацию, применяются в фотодетекторах и солнечных элементах.

Применение фотопроводимости

Фотодетекторы: устройства, где изменение проводимости напрямую преобразуется в электрический сигнал.
Оптоэлектронные сенсоры: измерение интенсивности света и спектрального состава излучения.
Светочувствительные резисторы и переключатели: использование явления в автоматизации и системах сигнализации.
Исследование дефектной структуры кристаллов: анализ спектральной фотопроводимости позволяет выявлять примесные и локализованные уровни.

Особенности кинетики фотопроводимости Фототок характеризуется временем нарастания и затухания, которое определяется жизненным временем носителей. В материалах с глубокими ловушками наблюдается эффект длительной фотопроводимости, при котором проводимость остаётся высокой даже после прекращения освещения. Это явление важно для анализа дефектной структуры полупроводников и фотосенсоров с медленной динамикой.

Факторы, влияющие на фотопроводимость

Энергетическая структура материала: ширина запрещённой зоны, наличие примесей, ловушек и центров захвата.
Интенсивность и спектр света: фотопроводимость зависит от числа поглощённых фотонов и их энергии.
Температура и внешние поля: увеличивает тепловую генерацию носителей и влияет на скорость рекомбинации.
Структурные дефекты и механическое напряжение: модифицируют локальные уровни и могут как усиливать, так и снижать фотопроводимость.

Моделирование и теория Фотопроводимость описывается системой кинетических уравнений для носителей заряда с учётом генерации, рекомбинации и захвата. Основное уравнение для средней плотности электронов (n) имеет вид:

[ = G - ]

где (G) — скорость фотогенерации, () — эффективное время жизни носителей. Решение уравнения позволяет прогнозировать временные и стационарные характеристики фотопроводимости. Расширенные модели учитывают наличие ловушек, многозонную структуру и нелинейные эффекты при высоких интенсивностях света.

Фотопроводимость является ключевым инструментом в изучении свойств полупроводников, дефектов кристаллической решётки и взаимодействия твёрдого тела с электромагнитным излучением.