ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ, определение химич. состава примесей в полупроводниках и изучение их энергетической структуры по спектрам примесной фотопроводимости. Примесный атом в полупроводнике может находиться в основном (невозбуждённом) или одном из возбуждённых энерге-тич. состояний. Спектр этих состояний специфичен для каждого химич. элемента примеси в данном полупроводнике. Если облучать полупроводник монохро-матич. излучением, плавно изменяя частоту со, т. е. энергию фотонов Йсо (где h- Планка постоянная), то всякий раз, когда hw будет совпадать с энергетич. зазором между основным и одним из возбуждённых состояний, атом примеси соответствующего сорта будет переходить в это возбуждённое состояние, поглощая фотон. Можно подобрать темп-ру кристалла так, что энергия его тепловых колебаний окажется достаточной для ионизации возбуждённого атома (но недостаточной для ионизации невозбуждённого атома). Тогда будет происходить двухступенчатая фототермич. ионизация примесных атомов: сначала оптич. возбуждение, а затем термич. ионизация. Её результатом является выброс электрона или дырки из атома примеси в зону проводимости и соответственно - фотопроводимость.

Спектр примесной фотопроводимости состоит из набора пиков, каждый из к-рых соответствует энергии фотонов, вызывающих переход в одно из возбуждённых состояний атомов примеси определ. сорта (см. рис.). Высоты пиков в широких пределах изменения концентраций примесей не зависят от этих концентраций. Благодаря этому Ф. с. позволяет обнаруживать ничтожно малые кол-ва примесей. Например, в образце Ge, спектр которого приведён на рисунке, суммарная концентрация примесных атомов составляет 10^-11 % от общего числа атомов. Теоретич. предел чувствительности Ф. с. ещё на несколько порядков ниже.

Лит.: Лифшиц Т. М., Лихтман

Н. П., Сидоров В. И., Фотоэлектрическая спектроскопия примесей в полупроводниках, "Письма в редакцию ЖЭТФ", 1968, т. 7, в. 3, с. 111-14; Коган Ш. М., Седунов Б. И., Фототермическая ионизация примесного центра в кристалле, "Физика твердого тела", 1966, т. 8, в. 8, с. 2382-89; Быкова Е. М., Лифшиц Т. М., Сидоров В. И., Фотоэлектрическая спектроскопия, полный качественный анализ остаточных примесей в полупроводнике, "Физика и техника полупроводников", 1973, т. 7, № 5, с. 986-88; Коgan Sh. M., Lifshits,

Т. М., Photoelectric Spectroscopy - a new Method of Analysis or Impurities in Semiconductors, "Physica status solidi (a)", 1977, 39, № 1, p. 11. Т. М. Лифшиц.

электрич. явления, происходящие в веществах под действием электромагнитного излучения. Поглощение электромагнитной энергии в веществе происходит всегда отд. порциями - квантами (фотонами), равными Йсо (И-Планка постоянная, w - частота излучения). Ф. я. возникают, когда энергия поглощённого фотона затрачивается на квантовый переход электрона в состояние с большей энергией. В зависимости от соотношения между энергией фотонов и характерными энергиями вещества (энергией возбуждения атомов и молекул, энергией их ионизации, работой выхода электронов из твёрдого тела и т. п.) поглощение электромагнитного излучения может вызывать разные Ф. я. Если энергии фотона хватает лишь для возбуждения атома, то может возникнуть изменение диэлектрической проницаемости вещества (фотодиэлектрический эффект). Если энергия фотона достаточна для образования неравновесных носителей заряда в твёрдом теле - электронов проводимости и дырок, то изменяется электропроводность тела (см. Фотопроводимость). В неоднородных телах, напр/ в полупроводниках с неоднородным распределением примесей, в частности в области электронно-дырочного перехода, вблизи контакта двух разнородных полупроводников (см. Полупроводниковый гетеропереход), контакта полупроводник - металл, или при неоднородном облучении, а также в полупроводниках, помещённых в магнитное поле, возникает электродвижущая сила (см. Фотоэдс, Кикоина - Носкова эффект). Фотопроводимость и фотоэдс могут возникать также при поглощении фотонов электронами проводимости, в результате чего увеличивается их подвижность (см. Подвижность носителей тока).

Если Йсо достаточно велика для ионизации атомов и молекул газа, то происходит фотоионизация. Когда эта энергия поглощается электронами жидкости или твёрдого тела, если последние могут достичь поверхности тела и, преодолев существующий на ней потенциальный барьер, выйти в вакуум или др. среду, то возникает фотоэлектронная эмиссия. Фотоэлектронную эмиссию часто наз. внешним фотоэффектом. В отличие от него, все Ф. я., обусловленные переходами электронов из связанных состояний в квазисвободные внутри твёрдого тела, объединяются термином фотоэффект внутренний.

Следует отличать Ф. я. от электрич. явлений, возникающих при нагревании тел электромагнитным излучением. Все Ф. я. обусловлены нарушением равновесия между системой электронов, с одной стороны, и атомом, молекулой или кристаллич. решёткой - с другой. Неравновесное состояние электронной системы тела сохраняется нек-рое время после поглощения фотона, в течение к-рого и могут наблюдаться Ф. я. Затем избыточная энергия электронов рассеивается (напр., передаётся кристаллич. решётке) и в теле устанавливается равновесие, соответствующее более высокой темп-ре. Ф. я. исчезают, но из-за нагревания тела в нём могут возникнуть явления, по внеш. признакам аналогичные Ф. я.: болометрич. эффект (изменение электропроводности), пироэлектрич. эффект (см. Пироэлектрики), термоэлектронная эмиссия, термоэдс и др. термоэлектрические явления.

В полупроводниках и диэлектриках электронов проводимости мало, поэтому уже небольшого числа фотонов достаточно для заметного увеличения количества электронов или их энергии. Теплоёмкость же кристаллич. решётки тел очень велика по сравнению с теплоёмкостью "газа" электронов проводимости. Вследствие этого в телах не очень малых размеров Ф. я. возникают при поглощении в них гораздо меньшей энергии электромагнитного излучения, чем та, к-рая необходима для наблюдения термоэлек-трич. явлений. Инерционность Ф. я. во много раз меньше инерционности термо-электрич. явлений и (в отличие от последних) не зависит от размеров тел и качества теплового контакта их с др. телами.

В металлах из-за очень высокой элек -тропроводности внутр. фотоэффект не наблюдается и возникает только фотоэлектронная эмиссия.

Лит.: Рывкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Фотоэлектронные приборы, М., 1965; Панков Ж., Оптические процессы в полупроводниках, пер. с англ., М., 1973; Соммер А., Фотоэмиссионные материалы, пер. с англ., М., 1973. Г. М. Лифшиц.