Фотопроводимость

Фотопроводимость — это физическое явление, заключающееся в увеличении электрической проводимости вещества под действием электромагнитного излучения (в частности, видимого света, ультрафиолетового или инфракрасного излучения). Фотопроводимость относится к классу фотоэлектрических явлений и наблюдается преимущественно в полупроводниках и диэлектриках. В основе эффекта лежит генерация дополнительных носителей электрического заряда (электронов и дырок) за счёт поглощения фотонов с энергией, достаточной для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости или с примесных уровней.

Механизм явления

Фотопроводимость возникает в результате внутреннего фотоэффекта. При поглощении фотона с энергией \( h\nu \), превышающей ширину запрещённой зоны \( E_g \) полупроводника, электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате в веществе образуется пара свободных носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Увеличение концентрации свободных носителей приводит к росту электропроводности материала.

Если энергия фотона меньше ширины запрещённой зоны, но достаточна для ионизации примесных атомов (мелких доноров или акцепторов), фотопроводимость может возникать за счёт перехода электронов с примесных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на примесные уровни. Такой механизм называется примесной фотопроводимостью.

После прекращения облучения концентрация неравновесных носителей постепенно уменьшается вследствие рекомбинации (встречи электрона и дырки), и проводимость возвращается к исходному (тёмновому) значению. Время релаксации фотопроводимости зависит от скорости рекомбинации и может составлять от наносекунд до нескольких секунд.

Квантовый выход и чувствительность

Квантовый выход фотопроводимости — это число пар носителей заряда, генерируемых одним поглощённым фотоном. В идеальном случае он равен единице, но на практике может быть меньше из-за потерь энергии на нагрев решётки или захвата носителей ловушками. Спектральная чувствительность материала определяется зависимостью фотопроводимости от длины волны падающего излучения.

Виды фотопроводимости

Различают несколько видов фотопроводимости в зависимости от механизма генерации и типа носителей:

• Собственная фотопроводимость — возникает при поглощении фотонов с энергией \( h\nu \ge E_g \), что приводит к генерации электронно-дырочных пар. Характерна для чистых полупроводников (например, кремний, германий, арсенид галлия).
• Примесная фотопроводимость — обусловлена переходами электронов с примесных уровней в зону проводимости (или дырок из валентной зоны на примесные уровни). Требует меньшей энергии фотонов, поэтому наблюдается в инфракрасном диапазоне. Используется в приёмниках ИК-излучения.
• Экситонная фотопроводимость — возникает при распаде экситонов (связанных электронно-дырочных пар) на свободные носители под действием тепловой энергии или электрического поля.
• Фотопроводимость в диэлектриках — наблюдается в некоторых изоляторах (например, в сульфиде цинка или оксиде цинка) при облучении ультрафиолетом, но обычно имеет малую величину из-за высокой энергии связи электронов.

Материалы с фотопроводимостью

Фотопроводимость проявляется у многих полупроводниковых материалов. Наиболее распространённые из них:

• Кремний (Si) — основной материал для фотоэлементов и фотодиодов. Обладает высокой чувствительностью в видимой и ближней инфракрасной области (длина волны до 1,1 мкм).
• Германий (Ge) — использовался в ранних фотоприёмниках, чувствителен в инфракрасном диапазоне до 1,8 мкм.
• Арсенид галлия (GaAs) — применяется в высокоскоростных фотодетекторах и солнечных батареях, имеет прямую запрещённую зону.
• Сульфид кадмия (CdS) — широко использовался в фоторезисторах, обладает высокой чувствительностью в видимом свете.
• Селенид кадмия (CdSe) — аналогичен CdS, но сдвинут в красную область спектра.
• Свинцово-оловянные халькогениды (PbS, PbSe) — чувствительны в среднем инфракрасном диапазоне (до 3–5 мкм), применяются в тепловизорах.
• Теллурид кадмия-ртути (HgCdTe) — материал для инфракрасных фотоприёмников с перестраиваемой шириной запрещённой зоны.

Применение фотопроводимости

Явление фотопроводимости лежит в основе работы широкого класса оптоэлектронных приборов и устройств:

Фоторезисторы

Фоторезистор — это полупроводниковый прибор, сопротивление которого изменяется под действием света. Фоторезисторы изготавливаются из сульфида кадмия, селенида кадмия, свинцово-оловянных халькогенидов и других материалов. Они используются в системах автоматического включения освещения, датчиках дыма, фотометрических устройствах.

Фотодиоды

Фотодиод — это полупроводниковый диод с p-n-переходом, в котором под действием света возникает фототок. Фотодиоды работают в режиме фотогенерации (солнечные элементы) или фотопроводимости (с обратным смещением). Применяются в оптоволоконной связи, лазерных дальномерах, считывателях штрих-кодов.

Фототранзисторы

Фототранзистор — это транзистор, в котором свет управляет током коллектора. Обладает усилением по сравнению с фотодиодом. Используется в оптронах, детекторах света, системах автоматики.

Солнечные элементы

Солнечные батареи на основе кремния (монокристаллического, поликристаллического или аморфного) преобразуют световую энергию в электрическую за счёт фотопроводимости. КПД промышленных кремниевых элементов составляет 15–22%, лабораторные образцы достигают 26–27%.

Приёмники инфракрасного излучения

Фотоприёмники на основе HgCdTe, PbS, PbSe используются в тепловизорах, системах ночного видения, спектрометрах, пирометрах. Они регистрируют тепловое излучение объектов в диапазоне 3–14 мкм.

Оптроны и оптоэлектронные ключи

В оптронах светодиод и фотоприёмник (фоторезистор, фотодиод или фототранзистор) объединены в одном корпусе. Такие устройства обеспечивают гальваническую развязку между входом и выходом, применяются в импульсных блоках питания, медицинской аппаратуре, промышленной автоматике.

История открытия

Фотопроводимость была впервые обнаружена в 1873 году английским инженером Уиллоуби Смитом, который заметил, что электрическое сопротивление селена уменьшается при освещении. В 1876 году Уильям Адамс и Ричард Дэй продемонстрировали, что селен может генерировать электрический ток под действием света (фотоэффект в селене). В 1904 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект на основе квантовой теории света, за что получил Нобелевскую премию в 1921 году. В 1930-х годах началось промышленное производство фоторезисторов на основе сульфида кадмия. Развитие полупроводниковой технологии в 1950–1960-х годах привело к созданию кремниевых фотодиодов и солнечных элементов.

Интересные факты

• Фотопроводимость селена использовалась в первых телевизионных передающих трубках (видиконах) в 1930–1950-х годах.
• В некоторых материалах (например, в сульфиде кадмия) фотопроводимость может сохраняться в течение нескольких часов после прекращения облучения — это явление называется «фотопамятью».
• В 2023 году российские учёные из Института физики микроструктур РАН разработали фотоприёмники на основе графена, обладающие рекордной чувствительностью в терагерцовом диапазоне.
• Фотопроводимость используется в рентгеновских детекторах — при облучении полупроводниковых материалов (например, CdTe или CdZnTe) возникает фототок, пропорциональный интенсивности рентгеновского излучения.

Источники

• Физика полупроводников: учебник для вузов / под ред. В. И. Фистуля. — М.: Высшая школа, 2001.
• Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984.
• Оптоэлектроника: учебное пособие / под ред. В. Г. Дмитриева. — СПб.: Лань, 2010.
• Энциклопедия физики и техники. — М.: Советская энциклопедия, 1988.
• Научные публикации РАН по фотоэлектрическим явлениям (2020–2024).