Spectres d'absorption et de photoconductivité de cristaux semi-conducteurs et isolants

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Submitted on 1 Jan 1965

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Spectres d’absorption et de photoconductivité de cristaux semi-conducteurs et isolants

S. Nikitine, A. Coret, J.P. Zielinger, C. Jeanclaude, C. Boehm

To cite this version:

S. Nikitine, A. Coret, J.P. Zielinger, C. Jeanclaude, C. Boehm. Spectres d’absorption et de photo- conductivité de cristaux semi-conducteurs et isolants. Journal de Physique, 1965, 26 (3), pp.132-134.

�10.1051/jphys:01965002603013200�. �jpa-00205939�

132.

SPECTRES D’ABSORPTION ET DE PHOTOCONDUCTIVITÉ (1)

DE CRISTAUX SEMI-CONDUCTEURS ET ISOLANTS

Par S. NIKITINE, ^A. CORET, ^{J. P.} ZIELINGER, ^C. JEANCLAUDE et C. BOEHM,

Laboratoire de Spectroscopie et d’Optique ^du Corps ^Solide,

Institut de Physique, Université de Strasbourg.

Résumé.

Nous avons comparé ^les spectres d’absorption ^{et de} photoconductivité ^{de la} cuprite

à 4,2 ^{°K. Tous les bords et les raies} excitoniques apparaissent ^{dans le} spectre ^de photoconductivité,

soit en maxima, ^{soit en} minima. Nous avons également étudié, pour le même échantillon, ^le spectre

de l’effet photo-magnéto-électrique. ^Les spectres d’autres cristaux ont été mis en évidence : HgI2, PbI2, ^GaSe, CuCl. Les mêmes phénomènes ^{ont été observés.}

Abstract. - We have compared ^the absorption ^and photoconductivity spectra ^of cuprite samples ^{at 4.2 oK. All the} absorption edges and exciton lines appear in the photoconductivity spectrum ^{as maxima or as} minima. We have also studied, ^{for the same} sample, ^the photomagneto-

electrical effect. The photoconductivity spectra ^{of others} crystals ^were investigated : HgI2, PbI2, GaSe, CuCl. The same phenomena ^{are observed.}

LE JOURNAL DE PHYSIQUE ^TOME 26, ^MARS 1965,

Introduction.’

Nous avons 6tudi6 la réponse spectrale ^{de la} photoconductibilité de différents semiconducteurs ou isolants a basse temperature.

Nous avons pu ainsi comparer le spectre d’absorp-

tion optique ^{et le} spectre ^de photoconductivité

d’une meme substance. L’essentiel de nos re-

cherches a ete eff ectue sur la cuprite ^{dont le} spectre d’absorption ^{est bien connu et} qui présente, ^dans

tout le domaine des longueurs ^d’onde visibles, ^une

s6rie de bords et de raies attribués a la formation d’exciton. I1 6tait int6ressant d’étudier comment

apparaissent ^{les bords} d’absorption ^{et les raies} excitoniques ^{dans le} spectre ^de photoconductivite.

Spectre d’absorption ^{de la} cuprite ^a 4,2 ^oK.

Le spectre d’absorption ^a deja ^ete beaucoup ^6tudi6.

A partir des donn6es de la spectroscopie, ^{on a} pu d6duire un schema des bandes [1]. Les bandes de

FIG. 1.

Schema des bandes de CU2O. (1) (2) ^bords jaune

et vert correspondant ^aux spectres excitoniques ^de

2e classe. (3) (4) ^{bords bleu et violet} correspondant ^aux spectres excitoniques de 1ere classe.

(1) ^Travail presente ^au Colloque ^de photoélectricité,

tenu a Dijon ^{les 30} avril,1er ^{et 2 mai 1964.}

valence ^et de conduction sont d6doubl6es comme

le montre la figure ^{1 :}

-

les transitions, ^a partir des deux bandes de valence vers la premiere ^{bande de} conduction, correspondent ^{a deux} spectres excitoniques ^de

deuxi6me classe (s6rie jaune ^{et s6rie} verte) ;

-

les transitions vers la deuxi6me bande de conduction correspondent ^{a deux} series excito-

niques ^de premiere ^classe appel6es ^{s6rie bleue et}

s6rie violette.

A ces transitions directes qui ^{se font avec k = 0} s’ajoutent des transitions indirectes (k ^# 0) grace

a l’absorption ^{ou a} 1’6mission de phonons.

Toutes ces structures sont observ6es exp£ri-

mentalement dans le spectre d’absorption [2]

(fig. 2) ^{a savoir : deux ou un bords} rouges qui correspondent ^a des transitions indirectes ; ^un

bord jaune precede ^{de la s6rie} excitonique ^corres- pondante ; ^{un bord vert} 6galement precede ^d’une

FIG. 2.

Spectre d’absorption ^{de la} cuprite ^a 4,2 ^OK.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphys:01965002603013200

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s6rie excitonique ; ^{un maximum vers 4 800 A}

attribue a la raie n ⁼ 1 du spectre ^de premiere

classe bleu ; ^un deuxi6me maximum vers 4 580 A

correspondant a la raie n

1 du spectre de pre- mi6re classe violet.

Spectre ^de photoconductivité ^{de la} cuprite ^à 4,2 ^°K.

^Les 6chantillons utilises ont ete prepares

par oxydation d’une lame de cuivre a 1000 OC,

sous pression ^r6duite d’oxyg6ne. ^Le spectre ^de photoconductivite peut ^{etre fort} différent suivant 1’6tat de la surface eclairee. Deux types ^de spectres peuvent ^{Atre observes :}

a) ^Un 6chantillon, ^dont la surface n’a _{pas 6t6}

perturbee ^ou qui ^{a ete} attaqu6e ^{a 1’acide} nitrique dilu6, pr6sente ^une r6ponse normale : le temps ^de r6ponse ^a la lumiere incidente est court et inférieur

au temps ^de r6ponse ^de 1’appareil ^{utilise. L’effet}

est positif : ^il correspond ^{bien a une} augmentation

de la conductibilité de 1’echantillon.

b) Si 1’echantillon est laisse quelques jours ^a

1’air libre, ^le phenomene ^{est tout a fait} different : le temps ^de r6ponse ^est long (de plusieurs ^minutes

a une ou plusieurs heures) ^{et dans un certain}

domaine de longueur ^{d’onde 1’eff et est} négatif:

la conductibilité diminue. Cet effet a deja ^6t6

6tudi6 dans un article precedent [3].

Nous n’étudierons, ^{dans cette} communication,

que des 6chantillons du premier type, c’est-à-dire

attaqu6s ^en surface par H N03 ^{dilu6. Toutes les}

structures mises en evidence dans le spectre ^d’ab- sorption apparaissent ^{dans le} spectre ^de photo- conductivité (fig. 3).

FIG. 3.

Spectre ^de photoconductivité.

Nous n’observons chaque fois dans le cas des bords jaune ^{et vert} que les premi6res ^{raies de} chaque s6rie, ^{a cause de la bande} passante ^du monochromateur utilise. Ces raies se présentent

sous forme de maxima. Au contraire, ^{les raies bleue}

et violette a 4 800 A et 4 585 A sont des minima de photoconductivité. ^En plus, ^une troisi6me raie est observ6e a 4 718 A qui n’apparaissait pas dans

le spectre d’absorption precedent. ^Elle peut ^etre attribuee a la raie n ⁼ 2 ^de la ^{s6rie bleue.}

Effet photo-magnéto.éleotrlque ^{dans la cuprite}

a 77 OK.

L’eflet photo-magneto-electrique ^cons-

titue un autre moyen d’étude de l’absorption ^d’un

6chantillon. 11 s’agit ^{16 de} reeueillir la difference de

potentiel (appelee difference de potentiel ^de Kikoin)

FIG. 4.

a) Spectre ^de photoconductivité ^{de la} cuprite

a 77 OK. b) Spectre ^{de iPME à 77 °K.} c} Spectre ^de YK

à 77 0 K.

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provoqu6e par la deviation _par un champ magn6ti-

que du photocourant de diffusion des electrons ^et

des trous. Cet effet est proportionnel ^au gradient ^de

concentration des porteurs, ^{donc d’autant} plus important que le coefficient d’absorption ^{est élevé.}

Pour qu’un tel effet soit possible, il faut que les deux porteurs ^{soient mobiles. Dans la} cuprite,

1’eff et PME est tres important ^et peut ^atteindre plusieurs ^volts.

Dans la figure 4, nous avons fait figurer ^{cote à}

cote le spectre ^de photoconductivite, ^le spectre

de 1’eff et PME en circuit f erme, ^le spectre ^{de 1’effet}

PME en circuit ouvert ^ou tension de Kikoin VK- L’eff et PME en circuit f erme est donne par la

mesure du courant qui ^{circule dans} l’échantillon dont les deux bornes sont pratiquement ^court-

circuit6es. La tension de Kikoin est donn6e par la ^mesure directe de la difference de potentiel ^à

l’aide d’un 6lectrom6tre. Entre les trois effets, ^nous

avons la relation :

ou VK(À) ^est la tension de Kikoin, R( x) la variation de la resistance sous 1’effet de la lumière, LpME(A) ^le

courant de court-circuit.

L’allure des courbes est tout 6 fait diff6rente. En

effet, ^1’effet photoélectrique ^{diminue vers les}

courtes longueurs ^{d’onde et les raies bleue et}

violette sont des minima d’effet. La tension de

Kikoin, ^au contraire, augmente ^{vers les courtes} longueurs d’onde. La raie X

4 800 A est alors

un maximum d’eff et, ^{la raie À = 4 585 A un}

minimum.

Spectres ^de photoconductivité ^{de cristaux iso-}

lants.

Nous avons 6galement ^{6tudi6 le} spectre

de photoconductivité ^{a 77 OK de} HgI2, GaSe, Pbl2’ ^CuCI.

Dans chaque spectre, ^on peut ^{mettre en 6vi-}

dence la correlation 6troite existant entre le spectre

de photoconductivité ^{et le} spectre d’absorption.

De la meme faqon que pour Cu20, les raies excito-

niques apparaissent, ^{soit comme des} maxima, ^soit

comme des minima d’absorption. Cependant, ^on peut remarquer que les minima de photoconduc-

tivit6 correspondent toujours a des coefficients

d’absorption ^les plus 6lev6s, c’est-à-dire a des raies

excitoniques ^de premiere ^{classe. La} figure ^{5 montre}

en particulier ^le spectre ^de photoconductivité ^de HgI2. ¹¹ s’agit ^{dans ce cas} d’un cristal uniaxe ; ^le

vecteur lumineux est alors perpendiculaire ^{a cet}

axe. Deux minima sont observes a 5 330 A et

FIG. 5.

Spectre ^de photoconductivité

d’un cristal de Hg 12 à ^{77 °K.}

4 920 A et ils correspondent ^{bien aux} raies d’ab-

sorption observ6es par Sieskind [4].

Conclusion.

Les informations tir6es du spectre

de photoconductivite recoupent bien celles issues du spectre d’absorption. ^{Les memes bords} appa- raissent ainsi que les raies. Ces derni6res cependant

se manifestent, ^{soit comme des} minima, ^soit

comme des maxima de photoconductivite.

I1 n’est pas possible de tirer des spectres ^de photoconductivite des donn6es quantitatives pr6-

cises sur le coefficient d’absorption, la force d’oscil- lateurs des raies par exemple, ^car les m6canismes de recombinaison des porteurs ^{libres sont mal}

connus. Cependant, ^le spectre ^de photoconduc-

tivit6 permet d’obtenir des donn6es qualitatives

sur l’absorption ^{vers les courtes} longueurs d’onde,

sans pour cela utiliser des 6chantillons minces. Dans le cas precis ^{de la} cuprite, ^le spectre ^de photo-

conductivite a permis d’observer clairement la raie bleue A - 4 800 A et la raie violette À

4 580 A deja ^vues par absorption, ^{mais aussi}

d’observer la raie À ⁼ 4 718 A due probablement

a la raie n

2 de la s6rie bleue.

Nous _avons, par ailleurs, ^{mis un autre} moyen a notre disposition pour 6tudier les spectres ^d’ab- sorption, ^a savoir l’effet PME. La r6ponse spec- trale de cet effet permet 6galement d’observer les bords et les raies du spectre visible de la cuprite.

BIBLIOGRAPHIE

[1] ^GRUN (J. B.), ^SIESKIND (M.) et NIKITINE (S.), ^J. Phys.

Chem. Solids, 1961, 21, ^119.

1962, 41, ^439.

[2] ^GRUN (J. B.), ^Revue d’Optique (Thèse),1962, 41, 439.

[3] ^CORET (A.) et NIKITINE (S.), ^J. Physique, 1963, 24, ^581.

[4] ^SIESKIND (M.), ^Revue d’Optique (Thèse), 1960, 39, ^239.