Fotonaponski efekt i njegove vrste

Prvi put je takozvani fotonaponski (ili fotonaponski) efekt uočio 1839. godine francuski fizičar Alexandre Edmond Becquerel.

Eksperimentirajući u očevom laboratoriju, otkrio je da osvjetljavanjem platinastih ploča uronjenih u elektrolitsku otopinu, galvanometar spojen na ploče pokazuje prisutnost elektromotorna sila…Ubrzo je devetnaestogodišnji Edmund pronašao korisnu primjenu za svoje otkriće - izradio je aktinograf - uređaj za bilježenje intenziteta upadne svjetlosti.

Danas fotonaponski efekti uključuju čitavu skupinu pojava, na ovaj ili onaj način, vezanih uz pojavu električne struje u zatvorenom strujnom krugu, što uključuje osvijetljeni uzorak poluvodiča ili dielektrika, ili fenomen EMF na osvijetljenom uzorku, ako se vanjski krug je otvoren. U ovom slučaju razlikuju se dvije vrste fotonaponskih učinaka.

U prvu vrstu fotonaponskih efekata spadaju: visokoelektrični foto-EMF, volumenski foto-EMF, ventilski foto-EMF, kao i fotoepizoelektrični efekt i Demberov efekt.

U fotonaponske efekte druge vrste spadaju: efekt zavlačenja elektrona fotonima, te površinski, kružni i linearni fotonaponski efekt.

Učinci prvog i drugog tipa

Fotonaponski efekti prvog tipa uzrokovani su procesom u kojem svjetlosni efekt generira pokretne nositelje električnog naboja dva karaktera — elektrone i šupljine, što dovodi do njihovog razdvajanja u prostoru uzorka.

Mogućnost odvajanja povezana je u ovom slučaju ili s nehomogenošću uzorka (njegova se površina može smatrati nehomogenošću uzorka) ili s nehomogenošću osvjetljenja kada se svjetlost apsorbira blizu površine ili kada samo dio površina uzorka je osvijetljena, pa EMF nastaje zbog povećanja brzine toplinskog kretanja elektrona pod utjecajem svjetlosti koja pada na njih.

Fotonaponski učinci drugog tipa povezani su s asimetrijom elementarnih procesa pobude nositelja naboja svjetlošću, asimetrijom njihovog raspršenja i rekombinacije.

Učinci ovog tipa pojavljuju se bez dodatnog stvaranja parova suprotnih nositelja naboja, uzrokovani su međupojasnim prijelazima ili se mogu povezati s pobuđivanjem nositelja naboja nečistoćama, osim toga, mogu biti uzrokovani apsorpcijom svjetlosne energije putem slobodni nosači naboja.

Zatim, pogledajmo mehanizme fotonaponskih učinaka. Prvo ćemo se osvrnuti na fotonaponske efekte prve vrste, a zatim obratiti pažnju na efekte druge vrste.

Deblji učinak

Demberov učinak može se pojaviti pri ravnomjernom osvjetljenju uzorka jednostavno zbog razlike u brzinama površinske rekombinacije na suprotnim stranama. Kod neravnomjernog osvjetljenja uzorka, Demberov efekt nastaje zbog razlike u koeficijentima difuzije (razlika u pokretljivosti) elektrona i šupljina.

Demberov učinak, pokrenut pulsirajućim osvjetljenjem, koristi se za generiranje zračenja u terahertznom rasponu. Demberov učinak najizraženiji je u poluvodičima s uskim procjepom visoke pokretljivosti elektrona kao što su InSb i InAs.[banner_adsense]

Barijera foto-EMF

Vrata ili barijera foto-EMF proizlaze iz odvajanja elektrona i šupljina električnim poljem Schottkyjeve barijere u slučaju kontakta metal-poluvodič, kao i polje p-n-spoj ili heterospoj.

Struja ovdje nastaje kretanjem kako nositelja naboja koji se izravno generiraju u području pn-spoja, tako i onih nositelja koji se pobuđuju u područjima blizu elektrode i difuzijom dospiju u područje jakog polja.

Razdvajanje para potiče stvaranje protoka šupljina u p području i protoka elektrona u n području. Ako je krug otvoren, tada EMF djeluje u izravnom smjeru za p-n spoj, pa svojim djelovanjem kompenzira izvorni fenomen.

Ovaj učinak je osnova funkcioniranja solarne ćelije i vrlo osjetljive detektore zračenja s niskim odzivom.

Volumetrijski foto-EMF

Masivni foto-EMF, kao što mu ime kaže, nastaje kao rezultat odvajanja parova nositelja naboja u masi uzorka na nehomogenostima povezanim s promjenom koncentracije dopanta ili s promjenom kemijskog sastava (ako poluvodič je spoj).

Ovdje je razlog razdvajanja parova tzv Protuelektrično polje nastaje promjenom položaja Fermijeve razine, koja opet ovisi o koncentraciji nečistoća. Ili, ako je riječ o poluvodiču složenog kemijskog sastava, cijepanje parova nastaje zbog promjene širine trake.

Fenomen pojave skupnih fotoelektrika primjenjiv je na sondiranje poluvodiča za određivanje stupnja njihove homogenosti. Otpornost uzorka također je povezana s nehomogenostima.

Visokonaponski foto-EMF

Abnormalni (visokonaponski) foto-EMF nastaje kada nejednoliko osvjetljenje uzrokuje električno polje usmjereno duž površine uzorka. Veličina rezultirajućeg EMF-a bit će proporcionalna duljini osvijetljenog područja i može doseći 1000 volti ili više.

Mehanizam može biti uzrokovan ili Demberovim efektom, ako difuzna struja ima komponentu usmjerenu na površinu, ili stvaranjem p-n-p-n-p strukture koja strši na površinu. Rezultirajući visokonaponski EMF je ukupni EMF svakog para asimetričnih n-p i p-n spojeva.

Fotoepizoelektrični učinak

Fotoepizoelektrični efekt je pojava pojave fotostruje ili fotoemf tijekom deformacije uzorka. Jedan od njegovih mehanizama je pojava skupnog EMF-a tijekom nehomogene deformacije, što dovodi do promjene parametara poluvodiča.

Drugi mehanizam za pojavu fotoepizoelektričnog EMF-a je transverzalni Demberov EMF, koji se javlja pri jednoosnoj deformaciji, što uzrokuje anizotropiju koeficijenta difuzije nositelja naboja.

Potonji mehanizam je najučinkovitiji u deformacijama poluvodiča s više dolina, što dovodi do preraspodjele nositelja između dolina.

Pogledali smo sve fotonaponske učinke prve vrste, a zatim ćemo pogledati učinke koji se pripisuju drugoj vrsti.

Učinak privlačenja elektrona fotonima

Taj je učinak povezan s asimetrijom u raspodjeli fotoelektrona po impulsu dobivenom od fotona. U dvodimenzionalnim strukturama s optičkim miniband prijelazima, klizna fotostruja uglavnom je uzrokovana prijelazima elektrona s određenim smjerom količine gibanja i može značajno premašiti odgovarajuću struju u masivnim kristalima.

Linearni fotonaponski efekt

Taj je učinak posljedica asimetrične raspodjele fotoelektrona u uzorku. Ovdje asimetriju formiraju dva mehanizma, od kojih je prvi balistički, povezan sa usmjerenošću pulsa tijekom kvantnih prijelaza, a drugi je smični, zbog pomaka težišta valnog paketa elektrona tijekom kvantne prijelaze.

Linearni fotonaponski efekt nije povezan s prijenosom količine gibanja s fotona na elektrone, dakle, s fiksnom linearnom polarizacijom, ne mijenja se kada se smjer širenja svjetlosti obrne.Procesi apsorpcije i raspršenja i rekombinacije svjetlosti doprinose struje (ovi doprinosi se kompenziraju u toplinskoj ravnoteži).

Ovaj efekt, primijenjen na dielektrike, omogućuje primjenu mehanizma optičke memorije, jer dovodi do promjene indeksa loma, koji ovisi o intenzitetu svjetlosti, a nastavlja se i nakon njenog isključivanja.

Kružni fotonaponski efekt

Efekt se javlja kada se osvijetli eliptično ili cirkularno polariziranom svjetlošću žirotropnih kristala. EMF mijenja predznak kada se polarizacija promijeni. Razlog za učinak leži u odnosu između spina i momenta elektrona, koji je svojstven žirotropnim kristalima. Kada su elektroni pobuđeni cirkularno polariziranim svjetlom, njihovi spinovi su optički orijentirani, te se u skladu s tim javlja usmjereni strujni impuls.

?

Prisutnost suprotnog učinka izražava se u pojavi optičke aktivnosti pod djelovanjem struje: propuštena struja uzrokuje orijentaciju spinova u žirotropnim kristalima.

Posljednja tri efekta služe u inercijalnim prijemnicima. lasersko zračenje.

Površinski fotonaponski učinak

Površinski fotonaponski efekt nastaje kada se svjetlost reflektira ili apsorbira od slobodnih nositelja naboja u metalima i poluvodičima zbog prijenosa količine gibanja s fotona na elektrone tijekom kosog upada svjetlosti i također tijekom normalnog upada ako se normala na površinu kristala razlikuje u smjeru od jedne od glavnih kristalnih osi.

Efekt se sastoji u pojavi raspršenja svjetlom pobuđenih nositelja naboja na površini uzorka. U slučaju međupojasne apsorpcije, ona se događa pod uvjetom da značajan dio pobuđenih nositelja dospije na površinu bez raspršenja.

Dakle, kada se elektroni reflektiraju od površine, formira se balistička struja, usmjerena okomito na površinu. Ako se pri pobuđivanju elektroni inercijski rasporede, može se pojaviti struja usmjerena duž površine.

Uvjet za pojavu ovog efekta je razlika u predznaku komponenata različitih od nule prosječnih vrijednosti impulsa "prema površini" i "od površine" za elektrone koji se kreću duž površine. Uvjet je ispunjen, primjerice, u kubičnim kristalima, ekscitacijom nositelja naboja iz degeneriranog valentnog pojasa u vodljivi pojas.

Kod difuznog raspršenja površinom, elektroni koji dođu do nje gube komponentu količine gibanja duž površine, dok je elektroni koji se udaljavaju od površine zadržavaju. To dovodi do pojave struje na površini.