Фоторезістівний ефект, збільшення електропровідності напівпровідника під дією електромагнітного. випромінювання. Вперше Ф. спостерігалася в Se У. Смітом (США) в 1873. Зазвичай Ф. обумовлена збільшенням концентрації рухливих носіїв заряду під дією світла (концентраційна ф.). Вона виникає в результаті дек. процесів: фотони «виривають» ел-ни з валентної зони і закидають їх в зону провідності, при цьому одночасно зростає число ел-нів провідності і дірок (власна Ф.); ел-ни із заповненої зони закидаються на вільні домішкові рівні - зростає число дірок (діркова примесная Ф.); ел-ни закидаються з домішкових рівнів в зону провідності (електронна примесная Ф. рис. 1). Можливо комбіноване збудження Ф. Концентраційна Ф. може виникати тільки при порушенні досить короткохвильовим випромінюванням, коли енергія фотонів перевищує або ширину забороненої зони, або відстань між однією із зон і домішковим рівнем. Ф. володіють всі неметаллич. тверді тіла. Найбільш вивчена і широко застосовується в техніці Ф. напівпровідників: Ge, Si, Se, CdS, CdSe, InSb, GaAs, PbS і ін. Величина концентраційної Ф. пропорц. квантовому виходу Y (відношенню числа утворюються носіїв до загальної кількості поглинених фотонів) і часу життя нерівноважних (надлишкових) носіїв, порушуваних світлом (фотоносіїв). При висвітленні видимим світлом Y зазвичай менше 1 через «конкуруючих» процесів, що призводять до поглинання світла, але не пов'язаних з утворенням носіїв (збудження екситонів, домішкових атомів, фононів та ін.).
При опроміненні в-ва УФ або більш жорстким випромінюванням Y> 1, т.
(Фоторезістівний ефект) - зміна електропровідності середовища, обумовлене дією електромагнітного магн. випромінювання. Яскраво виражена в напівпровідниках і діелектриках. Вперше спостерігалася У. Смітом (W. Smith, 1873) в аморфному Si (див. Аморфні і стеклообразниє напівпровідники). Ф. виникає через зміни або концентрації носіїв заряду (к о н ц е н т р а ц і о н н а я Ф.), або їх рухливості під дією випромінювання (див. Рухливість носіїв заряду). Залежно від механізму поглинання випромінювання розрізняють Ф. з про б з т в е нн у ю, п р и м і з н у ю і в н у т р і з о н н у ю.
Власна і домішкових фотопровідності. В основі власної. і примесной Ф. лежить внутр. фотоефект. т. е. або оптич. генерація пар електрон - дірка (при власній Ф.), або фотоотрив носія заряду від заряджу. домішкового центра (при примесной Ф.). Генеруються при внутр. фотоефекті вільні носії заряду зв. ф від о н о с і т е л я м і.
Зміна уд. електропровідності а однорідного напівпровідника під дією випромінювання одно
де Dn. Dp - зміни концентрацій електронів провідності (п) і дірок (p), mn, mp-их рухливості. Величини Dn, Dp визначаються квантовим виходом Y внутр. фотоефекту, т. е. числом генеруються електронно-доручених пар (при власної. Ф.) або числом генеруються носіїв (при примесной Ф.) в розрахунку на один поглинений фотон. а також часом життя фотоносіїв (до їх рекомбінації або захоплення домішковими центрами). Якщо Ф. (власне) визначається рухливими фотоносіїв обох знаків, її називають б і п про л я р н о м. У тих випадках, коли хоча і генеруються фотоносіїв обох знаків, але фотоносіїв одного типу мають незначні рухливість і час життя, а також при примесной Ф. коли генеруються фотоносіїв тільки одного знака, Ф. наз. м про н про п про л я р н о м.
Так як імпульс фотона, як правило, дуже малий у порівнянні з імпульсом електрона, вимога одночасним. виконання законів збереження енергії та імпульсу призводить до того, що переходи електронів з участю тільки одного фотона виявляються можливими лише між станами, в яких брало імпульс електрона практично один і той же ( "прямі", або "вертикальні", переходи). Однак ця заборона може порушуватися за рахунок взаємодії електронів або дірок з фононами. Останнє призводить до "непрямим" переходам зі зміною як енергії, так і імпульсу електрона і випусканням або поглинанням фонона. Дослідження залежності Ф. від енергії фотонів h w дозволяють по їх хв. енергії, ще викликає Ф. визначати енергетичних. щілини між рівнями або зонами (див. Напівпровідники).
Внутрізонная фотопровідність пов'язана зі зміною рухливості носіїв заряду при їх перерозподілі по енергетичних. станів в результаті поглинання випромінювання. До процесів, що викликають внутрізонную Ф. відносять: опт. переходи носіїв заряду всередині однієї зони, к-які можливі завдяки розсіюванню носіїв на домішках і фононах (див. Розсіювання носіїв заряду в твердому тілі); прямі оптич. переходи між подзонами доречний зони в напівпровідниках р- типу ( "легкі" і "важкі" дірки, см. Зонная теорія); переходи між подзонами розмірного квантування в напівпровідникових структурах (див. Квантові розмірні ефекти). Внутрішньо-зонна Ф. вперше спостерігалася Моссом і Хокінз (1960) в p -Ge (переходи між подзонами дірок) і Роллі-ном (1961) в n -InSb (внутрізонное поглинання).
При внутрізонной Ф. може змінюватися рухливість як тих носіїв, к-які безпосередньо поглинули випромінювання. так і всіх носіїв заряду через перерозподіл поглиненої енергії, обумовленого межелектронного розсіюванням. Як правило, визначальну роль відіграє другий процес. Якщо час перерозподілу енергії мало в порівнянні з часом релаксації енергії носіїв т, то Ф. можна розглядати як результат зміни темп-ри газу носіїв Тн при поглинанні випромінювання. В цьому випадку Знак d m / dTн і Ds може бути як позитивним, так і негативним. Знак Ds визначається також знаком зміни електронної темп-ри dTe. Як правило, dTe> 0, однак можливе охолодження газу при поглинанні світла. Охолодження спостерігається, напр. в p -Ge при оптич. переході дірок з підзони "важких" дірок в подзону "легких" і швидкому розсіянні енергії "легких" дірок на оптич. фононах. Зі зміною енергії фотонів знак Ds змінюється і внутрізонная Ф. осциллирует, змінюючи знак.
"Охолодження" фотоносіїв. Якщо генеруються світлом носії мають енергії, що перевищують ширину забороненої зони напівпровідника, то такі т. Н. гарячі носії можуть втрачати енергію на створення доповнить. електронно-доручених пар; в результаті Y> 1 (рис. 1). Довжина пробігу носіїв при цьому залежить від і змінюється від неск. нм при до 1 нм при і до дек. десятків нм при кеВ (час пробігу t
10 -14 c). При осн. механізм втрат енергії - розсіювання на фононах. При, що перевищують енергію оптич. фонона, носії втрачають енергію шляхом последоват. випускання оптич. фононів. При цьому характерний час їх пробігу t опт
10 -13 c. Після того як залишкова енергія носіїв виявляється менше, подальше їх "охолодження" відбувається шляхом випускання акустич. фононів або за рахунок межелектронного зіткнень. Відповідні часи релаксації енергії на дек. порядків більше т опт (див. Гарячі електрони).
Мал. 1. Залежність квантового виходу Y в Ge від енергііфотонов.
Залишкова енергія носіїв, швидко випустить максимально можливе число (Nмакс) оптич. фононів, дорівнює Вона змінюється від 0 до в залежності від (2p / h) w. У слаболегірованних напівпровідниках еф. рухливість гарячих фотоносіїв залежить від, тому Ds осциллирует як ф-ція з частотою W. В сильнолегованих напівпровідниках енергія передається спершу не акустич. фононам, а газу носіїв; в залежності від величини переданої енергії змінюється пор. рухливість носіїв. Це також призводить до осциляції-ям Ds з частотою w.
Спектр фотоносіїв. Завдяки залежності квантового виходу Y від енергії фотонів (рис. 1) спектр Ф. відрізняється від спектра оптич. поглинання кристалів. Відмінність виникає також через те, що процес "охолодження" фотоносіїв не є миттєвим: тому частина їх може мати енергії, що значно перевищують рівноважну енергію при даній темп-ре кристала. Внесок цих "гарячих" фотоносіїв в Ф. залежить від відносини між часом релаксації енергії і часом життя носіїв, а також від первонач. енергії фотоносіїв. На кривих рис. 2 і рис. 3 чітко проявляється різкий довгохвильовий спад Ф. За його положенню можна визначити ширину забороненої зони
Мал. 2. Спектральний розподіл власної фотопровідності в Ge.
Залежність Ds від інтенсивності випромінювання. Анізотропія фотопровідності. Зазвичай при малих інтенсивностях I випромінювання Ф. пропорційна I. т. Е. Тензор зміни електропровідності Dsij є билинейной ф-цією компонент електричні. вектора Ek поля випромінювання (k = x, у, z): Dsij = gijkl Ek El. Тензор 4-го рангу gijkl зв. тензором Ф. Він визначає не тільки величину Ds, а й її анізотропію.
Ф. анізотропна навіть в середовищах з ізотропним статич. електропровідністю і оптич. діелектричної проникністю. Це проявляється в залежності Ф. виникає під дією поляризованого випромінювання, від орієнтації площини поляризації світла щодо крісталлогра-фіч. осей, а також в появі поперечного електричні. поля і поперечної фотоерс між бічними контактами зразка. Один з можливих механізмів анізотропних фото-електричні. ефектів полягає в анізотропії розподілу по квазіімпульсів фотоелектронів, що генеруються поляризованим випромінюванням. Анізотропні фотоедектріч. ефекти в ізотропних середовищах описуються потужність. компонентами тензора gijkl.
Мал. 3. Спектральний розподіл примесной провідності в Ge, пов'язане з домішкою Сu.
Інерційність фотопровідності визначається наиб. часом релаксації кинетич. процесів, к-які визначають Ф. Зазвичай цей час життя фотоносіїв, а в разі внутрізонной Ф.- час розсіювання енергії або час межподзонной релаксації. Час життя фотоносіїв зменшується у міру збільшення концентрації рекомбіна-ційних центрів (або захоплюючих домішкових центрів), але воно не може бути менше часу релаксації енергії в тому ж матеріалі.
Ф. слід відрізняти від болометріч. ефекту - зміни провідності при нагріванні напівпровідника випромінюванням, коли однаково підвищуються Т як електронної підсистеми, так і підсистеми фононів; на відміну від Ф. інерційність болометріч. ефекту визначається теплопроводностью- швидкістю передачі тепла термостата (див. Болометр).
У деяких речовинах при низьких темп-pax час релаксації Ф. настільки велике, що викликане опроміненням зміна провідності Ds не падає помітно з часом (з а м о р о ж е н н а я Ф.). Існують два осн. механізму виникнення замороженої Ф. Перший пов'язаний з поділом нерівноважних носіїв внутр. елект. полями неоднорідностей. При цьому для рекомбінації потрібно подолання високого потенц. бар'єру, що призводить до експоненціального зростання часу життя нерівноважних носіїв. Заморожена Ф. такого типу найчастіше зустрічається в сполуках A II B VI. Другий механізм пов'язаний з наявністю центрів, сильно взаємодіючих з кристалічних. гратами. Захоплення носіїв на них вимагає перебудови решітки і тому здійснюється аномально повільно. Прикладом таких центрів є т. Н. DX-центри в твердих розчинах Alx Ga1-x As, що призводять до замороженої Ф. в гетероструктурах GaAs-Alx Ga1-x As. Явище замороженої Ф. може використовуватися в системах оптич. пам'яті, але грає і від-ріцат. роль, приводячи до тимчасової нестабільності характеристик напівпровідникових приладів.
Аномальна фотопровідність. У ряді випадків величина Ф. не залежить від інтенсивності випромінювання (при стаціонарному освітленні) і залежить лише від його спектрального складу. Така аномальна Ф. вперше виявлена в плівках аморфного Si (після витримки в парах Hg) в 1961. Максимум Ф. відповідає З ростом темп-ри l збільшується, а при T> 180 K аномальна Ф. зникає, що, ймовірно, пояснюється наявністю утримують центрів або неоднорідністю провідності. На основі аномальної Ф. можливе створення детекторів кольору і елементів пам'яті.
На явищі Ф. заснована робота чутливих напівпровідникових приймачів випромінювання (див. Фоторезистор).
Літ .: Тауц Я. Фото- і термоелектричні явища в напівпровідниках, пер. з чеськ. М. 1962; Ривкін С. М. Фотоелектричні явища в напівпровідниках, 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. Зб. ст. пер. з англ. М. 1967; Шейнкман М. К. Шик А. Я. Довготривалі релаксації і залишкова провідність в напівпровідниках, "ФТП", 1976, т. 10, с. 209; Корсунський М. І. Аномальна фотопровідність і спектральна пам'ять в напівпровідникових системах, М. 1978.
Е. В. Берегулина, С. Д. Ганичев, Ш. М. Коган, А. Я. Шик, І. С. Шлімак.