Fotovoltaisk effekt och dess varianter

För första gången observerades den så kallade fotovoltaiska (eller fotovoltaiska) effekten 1839 av den franske fysikern Alexandre Edmond Becquerel.

När han experimenterade i sin fars laboratorium upptäckte han att genom att belysa platinaplattor nedsänkta i en elektrolytisk lösning indikerade en galvanometer ansluten till plattorna närvaron av elektromotorisk kraft... Snart hittade den nittonårige Edmund en användbar applikation för sin upptäckt - han skapade en aktinograf - en anordning för att registrera intensiteten av infallande ljus.

Idag omfattar fotovoltaiska effekter en hel grupp av fenomen, på ett eller annat sätt, relaterade till uppkomsten av en elektrisk ström i en sluten krets, som inkluderar en belyst halvledare eller dielektriskt prov, eller EMF-fenomenet på ett belyst prov, om extern krets är öppen. I det här fallet särskiljs två typer av fotovoltaiska effekter.

Den första typen av fotovoltaiska effekter inkluderar: hög elektrisk foto-EMF, volym foto-EMF, ventil foto-EMF, såväl som den fotoepizoelektriska effekten och Dember-effekten.

Fotovoltaiska effekter av den andra typen inkluderar: effekten av indragning av elektroner av fotoner, såväl som yteffekter, cirkulära och linjära fotovoltaiska effekter.

Effekter av den första och andra typen

Fotovoltaiska effekter av den första typen orsakas av en process där en ljuseffekt genererar mobila elektriska laddningsbärare av två tecken - elektroner och hål, vilket leder till att de separeras i provets utrymme.

Möjligheten till separation är i detta fall relaterad antingen till provets inhomogenitet (dess yta kan betraktas som provets inhomogenitet) eller till inhomogeniteten hos belysningen när ljus absorberas nära ytan eller när endast en del av provytan är upplyst , så EMF uppstår på grund av en ökning av hastigheten för termisk rörelse av elektroner under påverkan av ljus som faller på dem.

Fotovoltaiska effekter av den andra typen är förknippade med asymmetrin hos de elementära processerna för excitation av laddningsbärare av ljus, asymmetrin hos deras spridning och rekombination.

Effekter av denna typ uppträder utan ytterligare bildning av par av motsatta laddningsbärare, de orsakas av interbandövergångar eller kan relateras till exciteringen av laddningsbärare av föroreningar, dessutom kan de orsakas av absorptionen av ljusenergi av gratis avgiftsbärare.

Låt oss sedan titta på mekanismerna för fotovoltaiska effekter. Vi kommer först att titta på fotovoltaiska effekter av den första typen och sedan rikta vår uppmärksamhet mot effekterna av den andra typen.

Tjockare effekt

Dember-effekten kan inträffa under enhetlig belysning av provet, helt enkelt på grund av skillnaden i ytrekombinationshastigheter på dess motsatta sidor. Med ojämn belysning av provet orsakas Dember-effekten av skillnaden i diffusionskoefficienter (skillnad i rörlighet) för elektroner och hål.

Dembereffekten, initierad av pulserad belysning, används för att generera strålning i terahertzområdet. Dember-effekten är mest uttalad i halvledare med hög elektronrörlighet och smala gap såsom InSb och InAs.[banner_adsense]

Barriärfoto-EMF

Grind- eller barriärfoto-EMF är ett resultat av separationen av elektroner och hål genom ett elektriskt fält av Schottky-barriären i fallet med en metall-halvledarkontakt, såväl som fältet p-n-korsning eller heterojunction.

Strömmen här bildas av rörelsen av både laddningsbärare som genereras direkt i området för pn-övergången, och de bärare som exciteras i områdena nära elektroden och når området för det starka fältet genom diffusion.

Parseparation främjar bildandet av hålflöde i p-området och elektronflöde i n-området. Om kretsen är öppen, verkar EMF i direkt riktning för p-n-övergången, så dess verkan kompenserar för det ursprungliga fenomenet.

Denna effekt är grunden för att fungera solceller och mycket känsliga strålningsdetektorer med låg respons.

Volumetrisk foto-EMF

Bulk photo-EMF, som namnet antyder, uppstår som ett resultat av separationen av par av laddningsbärare i provets bulk vid inhomogeniteter förknippade med en förändring i koncentrationen av dopämnet eller med en förändring i den kemiska sammansättningen (om halvledaren är sammansatt).

Här är anledningen till separationen av paren den sk Ett motelektriskt fält som skapas av en förändring i positionen för Fermi-nivån, vilket i sin tur beror på föroreningskoncentrationen. Eller, om vi talar om en halvledare med en komplex kemisk sammansättning, är pardelningen ett resultat av en förändring i bandbredd.

Fenomenet med utseendet av bulkfotoelektrik är tillämpligt på undersökning av halvledare för att bestämma graden av deras homogenitet. Provresistensen är också relaterad till inhomogeniteter.

Högspänningsfoto-EMF

Onormal (högspänning) foto-EMF uppstår när ojämn belysning orsakar ett elektriskt fält riktat längs provets yta. Storleken på den resulterande EMF kommer att vara proportionell mot längden på det upplysta området och kan nå 1000 volt eller mer.

Mekanismen kan orsakas antingen av Dember-effekten, om den diffusa strömmen har en ytriktad komponent, eller av bildandet av en p-n-p-n-p-struktur som skjuter ut mot ytan. Den resulterande högspännings-EMK är den totala EMF för varje par av asymmetriska n-p- och p-n-övergångar.

Fotoepizoelektrisk effekt

Den fotoepizoelektriska effekten är fenomenet med utseendet av en fotoström eller fotoemf under deformation av provet. En av dess mekanismer är uppkomsten av bulk-EMK under inhomogen deformation, vilket leder till en förändring av parametrarna för halvledaren.

En annan mekanism för uppkomsten av fotoepisoelektrisk EMF är den tvärgående Dember-EMK, som sker under enaxlig deformation, vilket orsakar anisotropi av diffusionskoefficienten för laddningsbärare.

Den senare mekanismen är mest effektiv vid flerdalshalvledardeformationer, vilket leder till en omfördelning av bärare mellan dalarna.

Vi har tittat på alla fotovoltaiska effekter av den första typen, sedan ska vi titta på effekterna som tillskrivs den andra typen.

Effekten av elektronattraktion av fotoner

Denna effekt är relaterad till asymmetrin i fördelningen av fotoelektroner över det momentum som erhålls från fotonerna. I tvådimensionella strukturer med optiska minibandsövergångar orsakas den glidande fotoströmmen främst av elektronövergångar med en viss rörelseriktning och kan avsevärt överskrida motsvarande ström i bulkkristaller.

Linjär solcellseffekt

Denna effekt beror på den asymmetriska fördelningen av fotoelektroner i provet. Här bildas asymmetrin av två mekanismer, varav den första är ballistisk, relaterad till pulsens riktning under kvantövergångarna, och den andra är skjuvning, på grund av förskjutningen av tyngdpunkten för vågpaketet av elektroner under kvantövergångarna.

Den linjära fotovoltaiska effekten är inte relaterad till överföringen av rörelsemängd från fotoner till elektroner, därför, med en fast linjär polarisation, förändras den inte när ljusets utbredningsriktning vänds om. Processerna för ljusabsorption och spridning och rekombination bidrar till ström (dessa bidrag kompenseras vid termisk jämvikt).

Denna effekt, applicerad på dielektrikum, gör det möjligt att tillämpa mekanismen för optiskt minne, eftersom det leder till en förändring i brytningsindex, som beror på ljusets intensitet, och fortsätter även efter att det stängs av.

Cirkulär fotovoltaisk effekt

Effekten uppstår när den belyses av elliptiskt eller cirkulärt polariserat ljus från gyrotropiska kristaller. EMF vänder tecknet när polarisationen ändras. Orsaken till effekten ligger i förhållandet mellan spinn och elektronmomentum, som är inneboende i gyrotropiska kristaller. När elektroner exciteras av cirkulärt polariserat ljus, är deras spinn optiskt orienterade, och följaktligen uppstår en riktad strömpuls.

?

Närvaron av den motsatta effekten uttrycks i utseendet av optisk aktivitet under inverkan av en ström: den överförda strömmen orsakar orienteringen av snurrarna i gyrotropiska kristaller.

De tre sista effekterna fungerar i tröghetsmottagare. laserstrålning.

Fotovoltaisk effekt på ytan

Ytfotovoltaiska effekten uppstår när ljus reflekteras eller absorberas av fria laddningsbärare i metaller och halvledare på grund av överföring av rörelsemängd från fotoner till elektroner under sned infall av ljus och även under normalt infall om normalen till kristallens yta skiljer sig i riktning från en av de huvudsakliga kristallaxlarna.

Effekten består i fenomenet spridning av ljusexciterade laddningsbärare på provets yta. I fallet med interbandsabsorption sker det under förutsättning att en betydande del av de exciterade bärarna når ytan utan spridning.

Så när elektronerna reflekteras från ytan bildas en ballistisk ström, riktad vinkelrätt mot ytan. Om elektronerna vid excitation ordnar sig i tröghet kan en ström riktad längs ytan uppstå.

Villkoret för förekomsten av denna effekt är skillnaden i tecknet för komponenter som inte är noll i medelvärdena för momentum "mot ytan" och "från ytan" för elektroner som rör sig längs ytan. Villkoret är uppfyllt, till exempel i kubiska kristaller, vid excitation av laddningsbärare från det degenererade valensbandet till ledningsbandet.

Vid diffus spridning av en yta förlorar elektroner som når den momentumkomponenten längs ytan, medan elektroner som rör sig bort från ytan behåller den. Detta leder till uppkomsten av en ström på ytan.