Фотоэффект запорного слоя

Рассмотрена физика фотоэффекта запорного (запирающего) слоя (вентильный фотоэффект). Механизм возникновения электрподвижущих сил под действием света проанализирован на примере закиси меди.

В разделе фотопроводимость было показано, что под действием поглощенного света электроны могут переходить из заполненной зоны в свободную, создавая таким образом фотопроводимость. При этом в полупроводнике возникает лишь дополнительная проводимость, но не образуется никаких собственных электродвижущих сил. Однако известно и другое явление - появление электродвижущих сил в результате освещения полупроводника. Например, если подвергнуть полупроводник неравномерному освещению так, чтобы одни части образца освещались значительно сильнее, а другие значительно слабее, можно в ряде случаев обнаружить некоторую разность потенциалов между светлыми и темными участками. Это явление объясняется тем, что в момент освещения электроны начинают диффундировать из освещенных участков в темные в большем числе, чем в обратном направлении. Такая преимущественная диффузия приводит к тому, что темные участки в случае электронного механизма проводимости постепенно заряжаются отрицательно, а светлые - положительно. Вследствие этого внутри полупроводника образуется постепенно нарастающее электрическое поле, которое, в конце концов, установит равновесное состояние, характерное тем, что электронные потоки в ту и другую сторону сравняются. Когда наступит равновесие, между светлым и темным участками полупроводника будет существовать некоторая разность потенциалов, доходящая иногда до 0,2 В.

Однако самое интересное проявление воздействия света на полупроводник заключается в существовании так называемого фотоэффекта запорного слоя.

Окислим медную пластинку, образовав на ней слой закиси меди Сu 2 0, которая является классическим полупроводником. Нанесем на поверхность закиси меди очень тонкий слой металла, например серебра. Известно, что очень тонкие металлические слои полупрозрачны. Затем составим простую электрическую цепь. К полупрозрачному серебряному электроду подведем провод от одного зажима гальванометра, второй зажим которого соединим с медной пластинкой. Эта схема характерна тем, что в ней нет источника тока. Если направить на верхний полупрозрачный серебряный электрод поток совета, то стрелка гальванометра уйдет далеко вправо от своего нулевого положения, так как в цепи пойдет ток. Это явление обусловливается существованием в системе металл - полупроводник запорного слоя.

В рассматриваемом случае электроны под действием света переходят из закиси меди сквозь запирающий слой в медь. Следовательно, медная пластинка заряжается отрицательно, а полупрозрачный электрод положительно. Таким образом, облучение светом меднозакисной поверхности вызывает в цепи появление электрического тока. Аналогичное явление наблюдается и у других полупроводников. Особенно ярко этот эффект проявляется в системах, включающих такие полупроводники, как сернистый таллий, сернистое серебро, селен, германий, кремний, сернистый кадмий.

Явление возникновения электродвижущей силы или электрического тока под действием света в системах, состоящих из электронного и "дырочного" полупроводников, запорного слоя и металлических электродов, получило название фотоэффекта запорного слоя или вентильного фотоэффекта.

Какова природа вентильного фотоэффекта? Механизм этого явления складывается из нескольких этапов. Первый этап заключается в том, что поглощенный свет освобождает в полупроводнике одновременно электроны и дырки, образуя так называемые пары "электрон-дырка". Освобождение пар сводится к тому, что электроны из заполненной зоны перебрасываются в свободную зону, становясь, таким образом, электронами проводимости, а дырки остаются в заполненной зоне и получают также возможность участвовать в электропроводности.

Если бы свет поглощался в каком-нибудь одном полупроводнике, не контактирующим с другим полупроводником, то возникшие под действием света пары увеличили бы лишь проводимость данного полупроводника и на этом бы все дело и кончилось. Совсем иное имеет место в рассматриваемой нами системе, состоящей из полупроводников с электронной проводимостью (обозначаемых буквой n) и дырочной проводимостью (обозначаемых буквой p). Между обоими полупроводниками заключен запирающий слой. Контакт р и n полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля. И если работа выхода "дырочного" полупроводника больше работы выхода электронного, что обязательно для двух полупроводников одного и того же химического состава, то это контактное электрическое поле направлено от электронного полупроводника к "дырочному". Что же произойдет в этом случае с парами? Очевидно, что "освобожденные" светом неосновные носители тока, т. е. электроны в дырочном полупроводнике или дырки в электронном, под действием этого поля будут через запирающий слой переходить из одного полупроводника в другой. По мере перехода неосновных носителей тока из одного полупроводника в другой будет увеличиваться их накопление в одной части рассматриваемой системы, в то время как в другой части будет происходить накопление основных носителей тока. Таким образом, образованные светом пары начнут разделяться: электроны концентрироваться в электронном полупроводнике, а дырки - в дырочном. Это накопление не может продолжаться беспредельно потому, что параллельно с возрастанием концентрации дырок в "дырочном" полупроводнике и электронов - в электронном возрастает создаваемое ими электрическое поле, которое препятствует переходу неосновных носителей из одного полупроводника через запирающий слой в другой полупроводник. Вместе с тем по мере возрастания этого поля возрастает и обратный поток неосновных фотоносителей. В конце концов, наступит динамическое равновесие, когда число неосновных носителей, перемещающихся за единицу времени через запирающий слой, сравняется с числом тех же носителей, перемещающихся за тот же самый промежуток времени в обратном направлении. В этот момент между верхним и нижним электродами установится некоторая окончательная разность потенциалов, которая по существу и будет представлять собой фотоэлектродвижущую силу.

Говоря об установлении подобного динамического равновесия, следует иметь в виду, что число неосновных фотоносителей N перемещающихся за единицу времени из освещаемого полупроводника через запирающий слой в другой полупроводник, зависит от интенсивности светового потока. С увеличением интенсивности светового потока увеличивается численное значение N. Сначала это увеличение идет по линейному закону, а затем возрастание N начинает все больше и больше отставать от возрастания интенсивности светового потока до тех пор, пока не наступает полное насыщение. В соответствии с изменением N в зависимости от изменения светового потока изменяется и величина фотоэлектродвижущей силы, которая, в конечном счете, и представляет в этом явлении главный интерес.

Таков в самых общих чертах механизм возникновения фотоэлектродвижущей силы в системе, состоящей из р и n полупроводников и заключенного между ними запирающего слоя.

Вентильный фотоэффект особенно активно протекает в полупроводниковых системах с большой диффузионной длиной "неосновных" носителей тока и соответственно большим временем их жизни.

Из рассмотрения механизма возникновения вентильной фотоэлектродвижущей силы видно, что электрод, непосредственно контактирующий с электронным полупроводником, всегда заряжается отрицательно, в то время как электрод, непосредственно контактирующий с дырочным полупроводником, заряжается положительно. Поэтому у разных типов вентильных фотоэлементов верхний полупрозрачный электрод может приобретать как положительный заряд, так и отрицательный.

Открытие фотоэффекта запорного слоя расширило возможности практического использования полупроводников и легло в основу устройства вентильных фотоэлементов - приборов, прямым и непосредственным путем преобразующих лучистую энергию в электрическую.

М.С.Соминский. Полупроводники. (Фотоэффект запорного слоя).

Лабораторная работа № 58

Цель работы:

1. Ознакомиться с явлением вентильного фотоэффекта.

2. Исследовать характеристики вентильного фотоэлемента.

Теоретическое введение

Вентильный фотоэффект заключается в возникновении фото-ЭДС в выпрямляющем контакте при его освещении. Наибольшее практическое применение имеет вентильный фотоэффект, наблюдаемый в р-n переходе.

В области границы раздела полупроводников р -типа и n -типа образуется так называемый запирающий слой, обедненный основными носителями заряда - электронами со стороны электронного полупроводника и дырками - со стороны дырочного полупроводника. Ионы донорных и акцепторных примесей этого слоя соответственно создают положительный объемный заряд в n -области и отрицательный - в р -области. Между р - и n - областями возникает контактная разность потенциалов, препятствующая движению основных носителей.

При освещении р-n перехода, например, со стороны р -области светом, энергия кванта которого достаточна для образования пары электрон-дырка, вблизи границы р-n перехода образуются так называемые фотоэлектроны и фотодырки (внутренний фотоэффект). Образовавшиеся в р -области носители участвуют в тепловом движении и перемещаются в различных направлениях, в том числе и к р-n переходу. Однако из-за наличия контактной разности потенциалов дырки не перейдут в n -область. Электроны же, напротив, будут затягиваться полем в n -область (рисунок 1).

Если цепь фотоэлемента разомкнута (R н = ∞ , режим холостого хода), то накопление фотоэлектронов в n -области и фотодырок в р -области приводит к появлению дополнительной разности потенциалов между электродами фотоэлемента. Эта разность потенциалов носит название фото-ЭДС (U ф хх ). Накопление неравновесных носителей в соответствующих областях не может продолжаться беспредельно, так как одновременно происходит понижение высоты потенциального барьера на величину возникшей фото-ЭДС. Уменьшение же высоты потенциального барьера или уменьшение результирующей напряженности электрического поля ухудшает "разделительные" свойства p-n перехода.

Если замкнуть электроды фотоэлемента накоротко (R н = 0), то образованные светом носители заряда будут циркулировать в цепи фотоэлемента, создавая фототок короткого замыкания I ф кз. Величина фото-ЭДС холостого хода U ф хх и сила фототока короткого замыкания I ф кз определяются концентрацией образованных светом носителей заряда, которая, в свою очередь, зависит от освещенности фотоэлемента Е .

Зависимости фототока I ф кз и фото-ЭДС U ф хх от освещенности фотоэлемента E (или от светового потока Ф = E∙S , где S - площадь приемной поверхности фотоэлемента) называются световыми характеристиками фотоэлемента (рисунок 2).

Из сказанного выше следует, что вентильный фотоэлемент позволяет осуществить непосредственное превращение лучистой энергии в электрическую. Для того, чтобы использовать полученную электрическую энергию, нужно включить в цепь фотоэлемента нагрузочное сопротивление R н. На этом сопротивлении будет выделятся полезная мощность

P = I∙U = I 2 ∙R н, (1)

где I - сила тока в цепи фотоэлемента (I < I ф кз ), А,

U - напряжение на контактах фотоэлемента (U< U ф хх ), В.

Сила тока I , напряжение U , а следовательно, и мощность P при постоянной освещенности определяется величиной нагрузочного сопротивления R н. Изменяя сопротивление R н от ∞ до 0, можно получить зависимость U(I) , которая носит название нагрузочной характеристики вентильного фотоэлемента (рисунок 3).

Уменьшение напряжения на выводах фотоэлемента с ростом тока нагрузки связано с потерей напряжения на внутреннем сопротивлении фотоэлемента. В режиме короткого замыкания, когда R н равно нулю, все развиваемое фотоэлементом напряжение U ф хх падает на внутреннем сопротивлении, и напряжение на выходе фотоэлемента также равно нулю.

На практике нагрузочное сопротивление подбирают таким образом, чтобы выделяемая на нем мощность была максимальной. При этом максимального (для данной освещенности) значения достигает и коэффициент полезного действия вентильного фотоэлемента, который определяется соотношением

η = P∙ Ψ / Ф = P∙ Ψ / (E∙S), (2)

где Ψ- так называемая световая отдача, которая для волны длиной λ = 535 нм равна 628 лм/Вт.

Вентильные фотоэлементы изготовляют из селена, кремния, германия, сернистого серебра и других полупроводниковых материалов. Они находят широкое применение в автоматике, измерительной технике, счетно-решающих механизмах и других устройствах. Например, селеновые фотоэлементы, спектральная чувствительность которых близка к спектральной чувствительности человеческого глаза, используются в фотометрических приборах (экспонометрах, фотометрах и др.).

Кремниевые фотоэлементы находят широкое применение в качестве преобразователей солнечной энергии в электрическую. КПД кремниевых фотоэлементов составляет ≈ 12 %. Большое количество фотоэлементов, соединенных между собой, образуют солнечную батарею. Напряжение солнечных батарей достигает десятков вольт, а мощность - десятков киловатт. Солнечные батареи служат основным источником энергопитания космических летательных аппаратов.

Описание установки

Кремниевый вентильный фотоэлемент представляет собой вырезанную из монокристалла пластинку кремния n -типа, на поверхности которой путем прогрева при температуре примерно равной 1200 0 C в парах BCl 3 сформирована тонкая пленка кремния р -типа. Фотоэлемент закреплен на оптической скамье, по которой передвигается источник света. Изменяя расстояние между поверхностью фотоэлемента и источником света, можно менять освещенность фотоэлемента. Значение освещенности E (l ), соответствующее расстоянию l между осветителем и фотоэлементом, определяется по градуировочной ривой (рисунок 5).

Фотоэффект вентильный

Анимация

Описание

Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл. В области неоднородности существует внутреннее электрическое поле, которое ускоряет генерируемые излучением неосновные неравновесные носители. В результате фотоносители разных знаков пространственно разделяются. Вентильная фотоэдс может возникать под действием света генерирующего неосновные носители. Особенно важна вентильная фотоэдс в p-n- переходе и гетеропереходе, т.е. в контакте двух различных по химическому составу полупроводников.

На рис. 1 схематически показано разделение пар, возникающее при освещении p-n- перехода.

Разделение возбуждаемых светом электронно-дырочных пар на p-n переходе

Рис. 1

Вклад в ток дают как носители, генерируемые непосредственно в области p-n - перехода, так и возбуждаемые в припереходных областях и достигающие области сильного поля путем диффузии. В результате разделения пар образуется поправленный поток электронов в n - область и дырок в p - область. При разомкнутой цепи создается ЭДС в пропускном (прямом) направлении p-n - перехода, компенсирующая этот ток.

В зависимости от легирования обеих сторон гетероперехода можно создать p-n - гетеропереход (анизотипный) и n-n - гетеропереход или p-p - гетеропереход (изотипный).

Комбинация различных гетеропереходов и монопереходов образует те или иные гетероструктуры.

Наиболее широко применяются монокристаллические гетеропереходы между полупроводниковыми материалами на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов Ga и Al, благодаря близости их ковалентных радиусов.

Фотоэлементы на p-n - переходах или гетеропереходах обладают малой инерционностью и обеспечивают прямое преобразование световой энергии в электрическую.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до -1);

Время существования (log tc от -1 до 7);

Время деградации (log td от -3 до -1);

Время оптимального проявления (log tk от 0 до 6).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Стандартный фотодиод (лучше с большой приемной площадкой, типа Ф24К или подобный) присоединяется ко входу осциллографа и освещается светом от люминесцентной лампы. Наблюдаем осциллирующую с двойной сетевой частотой (то есть100 Гц) ЭДС.

Применение эффекта

Вентильный (барьерный) фотоэффект используется в фотовольтаических и солнечных элементах, а также в приборах выявления неоднородностей полупроводниковых материалов и фотоприемниках для измерения световых потоков.

Солнечная батарея (фотоэлектрический генератор) - устройство, непосредственно-преобразующее энергию светового излучения в электрическую энергию. Электрический ток в солнечной батарее возникает в результате процессов, происходящих в фотоэлементах при попадании на них солнечного излучения. Наиболее эффективны солнечные батареи, основанные на возбуждении ЭДС на границе между проводником и светочувствительным полупроводником (например, кремнием) или между разнородными проводниками. Мощность солнечной батареи достигает 100 КВт, КПД - 10ё 20 %.

Вентильным фотоэффектом называется возникновение электродвижущей силы при поглощении квантов излучения оптического диапазона в системе, содержащей контакт двух примесных полупроводников с различным типом проводимости или в системе полупроводник - металл.

На рис. 3 показана энергетическая диаграмма p-n перехода без освещения (E c , E v и E F - энергии дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и уровня Ферми, соответственно, E g -ширина запрещенной зоны).

Рис.4. Энергетическая диаграмма p-n перехода при освещении.

При освещении такой системы фотонами с энергией hn > E g , поглощенный свет переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образуются дырки, т.е. происходит генерация электронно - дырочных пар (рис.4). Поведение неравновесных носителей зависит от того, в какой области системы поглощается излучение. Для каждой области важным является поведение неосновных носителей, поскольку именно их плотность может изменяться в широких пределах при освещении. Плотность же основных носителей с обеих сторон границы раздела полупроводников практически остается неизменной. Если излучение поглощается в p-области, то электроны, находящиеся от p-n перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины пробега, смогут достигнуть его и под действием контактного электрического поля перейдут в n-область.

Аналогично, если излучение поглощается в n-области, то через p-n переход в p-область выбрасываются только дырки.

Если же пары генерируются в области объемного заряда (р-n перехода), то поле "разводит" носители зарядов таким образом, что они оказываются в той области, где являются основными.

Итак, образованные светом пары, будут разделяться. При этом электроны концентрируются в n-полупроводнике, а дырки - в p-полупроводнике, т.е. p-n переход играет роль "стока" неосновных носителей заряда.

Это накопление зарядов не может продолжаться бесконечно: параллельно с возрастанием концентрации дырок в p-полупроводнике и электронов в n-полупроводнике, возрастает созданное ими электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу неосновных носителей через запирающий слой.

По мере возрастания этого поля увеличивается и обратный поток неосновных носителей. В конце концов наступит динамическое равновесие, при котором число неосновных носителей, перемещающихся за единицу времени через запирающий слой, сравняется с числом тех же носителей, перемещающихся за тот же промежуток времени в обратном направлении.

ФОТОЭФФЕКТ ВЕНТИЛЬНЫЙ

фотоэффект в запирающем слое, - возникновение под действием электромагнитного излучения электродвижущей силы (фотоэдс) в системе, состоящей из двух контактирующих разных ПП или из ПП и металла. Наибольший практич. интерес представляет Ф. в. в р - я-переходе и гетеропереходе. Ф. в. используют в фотоэлектрич. генераторах, в ПП фотодиодах, фототранзисторах и т. д.

. 2004 .

Смотреть что такое "ФОТОЭФФЕКТ ВЕНТИЛЬНЫЙ" в других словарях:

Квантовая механика … Википедия

Перераспределение электронов по энергетич. состояниям в твёрдых и жидких ПП и диэлектриках, происходящее под действием электромагн. излучения. Ф. в. обнаруживается, как правило, по изменению концентрации носителей тока в среде, т. е. по появлению … Большой энциклопедический политехнический словарь

вентильный фотоэффект - Внутренний фотоэффект, при котором возникает э.д.с. [Сборник рекомендуемых терминов. Выпуск 79. Физическая оптика. Академия наук СССР. Комитет научно технической терминологии. 1970 г.] Тематики физическая оптика Обобщающие термины превращение… … Справочник технического переводчика

ФОТОЭФФЕКТ, группа явлений, связанных с освобождением электронов твердого тела от внутриатомной связи под действием электромагнитного излучения. Различают: 1) внешний фотоэффект, или фотоэлектронная эмиссия, испускание электронов с поверхности… … Современная энциклопедия

Явление, связанное с освобождением электронов твердого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:..1) внешний фотоэффект испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), ? излучения и др.;..2)… … Большой Энциклопедический словарь

ФОТОЭФФЕКТ - (1) вентильный возникновение электродвижущей силы (фотоЭДС) между двумя разнородными полупроводниками или между полупроводником и металлом под действием электромагнитного излучения; (2) Ф. внешний (фотоэлектронная эмиссия) испускание электронов с … Большая политехническая энциклопедия

А; м. Физ. Изменение свойств вещества под воздействием световой энергии; фотоэлектрический эффект. * * * фотоэффект явление, связанное с освобождением электронов твёрдого тела (или жидкости) под действием электромагнитного излучения. Различают:… … Энциклопедический словарь

вентильный фотоэффект

фотоэффект запирающего слоя - užtvarinis fotoefektas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. barrier layer photoeffect; barrier layer photoelectric effect; photovoltaic effect vok. Sperrschichtphotoeffekt, m rus. вентильный фотоэффект, m; фотовольтаический эффект, m;… … Fizikos terminų žodynas

Явление, связанное с освобождением электронов тв. тела (или жидкости) под действием эл. магн. излучения. Различают: внеш. Ф. испускание электронов под действием света (фотоэлектронная эмиссия), у излучения и др.; внутр. Ф. увеличение… … Естествознание. Энциклопедический словарь