Aurinkosähköefekti ja sen lajikkeet

Ranskalainen fyysikko Alexandre Edmond Becquerel havaitsi ensimmäisen kerran niin sanotun aurinkosähkön (tai aurinkosähkön) vaikutuksen vuonna 1839.

Kokeitaessaan isänsä laboratoriossa hän havaitsi, että valaisemalla elektrolyyttiseen liuokseen upotettuja platinalevyjä levyihin liitetty galvanometri osoitti sähkömotorinen voima… Pian 19-vuotias Edmund löysi löytölleen hyödyllisen sovelluksen – hän loi aktinografin – laitteen tulevan valon voimakkuuden tallentamiseen.

Aurinkosähköefekteihin kuuluu nykyään kokonainen ryhmä ilmiöitä, tavalla tai toisella, jotka liittyvät sähkövirran esiintymiseen suljetussa piirissä, mukaan lukien valaistu puolijohde- tai dielektrinen näyte tai EMF-ilmiö valaistussa näytteessä, jos ulkoinen piiri on auki. Tässä tapauksessa erotetaan kahdenlaisia ​​aurinkosähkövaikutuksia.

Ensimmäisen tyyppisiä aurinkosähkötehosteita ovat: korkea sähköinen foto-EMF, tilavuusvalo-EMF, venttiilin foto-EMF sekä valoepitsosähköinen efekti ja Dember-efekti.

Toisen tyypin aurinkosähkövaikutuksia ovat: fotonien aiheuttamat elektronien mukanaan tuomat vaikutukset sekä pinta-, ympyrä- ja lineaariset aurinkosähkövaikutukset.

Ensimmäisen ja toisen tyypin vaikutukset

Ensimmäisen tyypin aurinkosähkövaikutukset aiheutuvat prosessista, jossa valovaikutus synnyttää liikkuvia sähköisiä varauksenkuljettajia, joissa on kaksi merkkiä — elektroneja ja reikiä, mikä johtaa niiden erottumiseen näytteen tilassa.

Erottamisen mahdollisuus liittyy tässä tapauksessa joko näytteen epähomogeenisuuteen (sen pintaa voidaan pitää näytteen epähomogeenisuutena) tai valaistuksen epähomogeenisuuteen, kun valo absorboituu lähellä pintaa tai kun vain osa näytteen epähomogeenisuudesta. näytteen pinta on valaistu, joten EMF syntyy elektronien lämpöliikkeen nopeuden lisääntymisen vuoksi niihin putoavan valon vaikutuksesta.

Toisen tyypin aurinkosähkövaikutukset liittyvät varauksenkuljettajien valon herättämisen perusprosessien epäsymmetriaan, niiden sironnan ja rekombinaation epäsymmetriaan.

Tämän tyyppiset vaikutukset ilmaantuvat ilman vastakkaisten varauksenkuljettajien parien lisämuodostumista, ne johtuvat kaistanvälisistä siirtymistä tai voivat liittyä varauksenkuljettajien virittymiseen epäpuhtauksien vaikutuksesta, lisäksi ne voivat johtua valoenergian absorptiosta ilmaiset maksunvälittäjät.

Seuraavaksi tarkastellaan aurinkosähkövaikutusten mekanismeja. Tarkastelemme ensin ensimmäisen tyypin aurinkosähkövaikutuksia ja sitten kiinnitämme huomiomme toisen tyypin vaikutuksiin.

Paksumpi vaikutus

Dember-ilmiö voi ilmetä näytteen tasaisessa valaistuksessa, yksinkertaisesti johtuen eroista pinnan rekombinaationopeuksissa sen vastakkaisilla puolilla. Näytteen epätasaisessa valaistuksessa Dember-ilmiön aiheuttaa elektronien ja reikien diffuusiokertoimien ero (liikkuvuusero).

Pulssivalaistuksen käynnistämää Dember-ilmiötä käytetään terahertsialueen säteilyn tuottamiseen. Dember-ilmiö on selkein korkean elektronin liikkuvuuden ja kapearaon puolijohteissa, kuten InSb ja InAs.[banner_adsense]

Estevalokuva-EMF

Portti tai estevalo-EMF syntyy elektronien ja reikien erottamisesta sähkökentällä Schottkyn esteestä metalli-puolijohdekontaktin tapauksessa sekä kenttä p-n-risteys tai heteroliitos.

Virta muodostuu tässä sekä pn-liitoksen alueella suoraan syntyneiden varauksenkuljettajien että elektrodin lähellä olevilla alueilla virittyneiden ja diffuusion kautta voimakkaan kentän alueelle pääsevien varauksenkuljettajien liikkeestä.

Parien erotus edistää reikävirtauksen muodostumista p-alueella ja elektronivirran muodostumista n-alueella. Jos piiri on auki, niin EMF vaikuttaa suoraan p-n-liitoksen suuntaan, joten sen toiminta kompensoi alkuperäistä ilmiötä.

Tämä vaikutus on toiminnan perusta aurinkokennot ja erittäin herkät säteilyilmaisimet alhaisella vasteella.

Volumetrinen valokuva-EMF

Bulkkifoto-EMF, kuten sen nimi viittaa, syntyy varauskantajaparien erottumisen seurauksena suurimmassa osassa näytteestä epähomogeenisuuksissa, jotka liittyvät seostusaineen pitoisuuden muutokseen tai kemiallisen koostumuksen muutokseen (jos puolijohde on yhdiste).

Tässä syy parien erottamiseen on ns Vastasähkökenttä, joka syntyy Fermi-tason sijainnin muutoksesta, joka puolestaan ​​riippuu epäpuhtauspitoisuudesta. Tai jos puhumme puolijohteesta, jolla on monimutkainen kemiallinen koostumus, parien jakautuminen johtuu kaistanleveyden muutoksesta.

Bulkkivalosähköisten osien ilmaantumisen ilmiö on sovellettavissa puolijohteiden koettamiseen niiden homogeenisuusasteen määrittämiseksi. Näytteen vastus liittyy myös epähomogeenisuuteen.

Korkeajännitevalokuva-EMF

Epänormaali (korkeajännite) foto-EMF tapahtuu, kun epätasainen valaistus aiheuttaa sähkökentän, joka on suunnattu pitkin näytteen pintaa. Tuloksena olevan EMF:n suuruus on verrannollinen valaistun alueen pituuteen ja voi olla 1000 volttia tai enemmän.

Mekanismi voi johtua joko Dember-ilmiöstä, jos diffuusivirrassa on pintasuuntautunut komponentti, tai pintaan työntyvän p-n-p-n-p rakenteen muodostumisesta. Tuloksena oleva suurjännite-EMF on kunkin epäsymmetrisen n-p- ja p-n-liitosparin kokonais-EMF.

Valoepitsosähköinen vaikutus

Valoepitsosähköinen vaikutus on ilmiö, jossa valovirta tai fotoemf ilmaantuu näytteen muodonmuutoksen aikana. Yksi sen mekanismeista on bulkki-EMF:n esiintyminen epähomogeenisen muodonmuutoksen aikana, mikä johtaa puolijohteen parametrien muutokseen.

Toinen mekanismi fotoepisoelektrisen EMF:n esiintymiselle on poikittaissuuntainen Dember-EMF, joka tapahtuu yksiakselisessa muodonmuutoksessa, mikä aiheuttaa varauksenkuljettajien diffuusiokertoimen anisotropian.

Jälkimmäinen mekanismi on tehokkain monilaaksoisten puolijohteiden muodonmuutoksissa, mikä johtaa kantoaaltojen uudelleen jakautumiseen laaksojen välillä.

Olemme tarkastelleet kaikkia ensimmäisen tyypin aurinkosähkövaikutuksia, sitten tarkastelemme toisen tyypin aurinkosähkötehosteita.

Fotonien elektronien vetovoiman vaikutus

Tämä vaikutus liittyy epäsymmetriaan fotoelektronien jakautumisessa fotoneista saadun liikemäärän yli. Kaksiulotteisissa rakenteissa, joissa on optisia minikaistasiirtymiä, liukuva valovirta johtuu pääasiassa tietyn liikemäärän suuntaisista elektronisiirtymistä ja voi merkittävästi ylittää vastaavan virran bulkkikiteissä.

Lineaarinen aurinkosähköefekti

Tämä vaikutus johtuu fotoelektronien epäsymmetrisestä jakautumisesta näytteessä. Tässä epäsymmetria muodostuu kahdesta mekanismista, joista ensimmäinen on ballistinen, joka liittyy pulssin suuntautumiseen kvanttisiirtymien aikana, ja toinen on leikkausmekanismi, joka johtuu elektronien aaltopaketin painopisteen siirtymisestä kvanttisiirtymät.

Lineaarinen aurinkosähköefekti ei liity liikemäärän siirtymiseen fotoneista elektroneihin, joten kiinteällä lineaarisella polarisaatiolla se ei muutu, kun valon etenemissuunta käännetään. virta (nämä panokset kompensoidaan lämpötasapainossa).

Tämä eristeisiin sovellettu vaikutus mahdollistaa optisen muistin mekanismin soveltamisen, koska se johtaa valon voimakkuudesta riippuvaiseen taitekertoimen muutokseen, joka jatkuu myös sen sammuttamisen jälkeen.

Pyöreä aurinkosähköefekti

Vaikutus syntyy, kun sitä valaisee gyrotrooppisista kiteistä peräisin oleva elliptisesti tai ympyräpolarisoitunut valo. EMF kääntää etumerkin, kun polarisaatio muuttuu. Syy vaikutukseen on spinin ja elektronin liikemäärän välisessä suhteessa, joka on luontainen gyrotrooppisille kiteille. Kun elektroneja viritetään ympyräpolarisoidulla valolla, niiden spinit ovat optisesti orientoituneita ja vastaavasti tapahtuu suunnattu virtapulssi.

?

Vastakkaisen vaikutuksen esiintyminen ilmaistaan ​​optisen aktiivisuuden ilmaantumisena virran vaikutuksesta: siirretty virta aiheuttaa spinien suuntautumisen gyrotrooppisissa kiteissä.

Kolme viimeistä efektiä toimivat inertiavastaanottimissa. lasersäteilyä.

Pinta-aurinkosähköefekti

Pinta-aurinkosähköilmiö syntyy, kun valo heijastuu tai absorboi metallien ja puolijohteiden vapaat varauksenkuljettajat johtuen liikemäärän siirtymisestä fotoneista elektroneihin valon vinon tulon aikana ja myös normaalin tulon aikana, jos kiteen pinnan normaali poikkeaa suunnasta yhdestä pääkideakseleista.

Vaikutus koostuu ilmiöstä, jossa valovirittyneet varauksenkantajat siroavat näytteen pinnalle. Kaistojen välisen absorption tapauksessa se tapahtuu sillä ehdolla, että merkittävä osa viritetyistä kantoaaloista saavuttaa pinnan ilman sirontaa.

Joten kun elektronit heijastuvat pinnalta, muodostuu ballistinen virta, joka on suunnattu kohtisuoraan pintaan nähden. Jos elektronit asettuvat virityksessä inertiaan, voi ilmaantua pintaa pitkin suunnattu virta.

Edellytys tämän vaikutuksen esiintymiselle on pintaa pitkin liikkuvien elektronien liikemäärän "pintaa kohti" ja "pinnalta" keskiarvojen nollasta poikkeavien komponenttien etumerkin ero. Edellytys täyttyy esimerkiksi kuutiokiteissä, kun varauksenkuljettajat viritetään degeneroituneelta valenssikaistalta johtavuuskaistalle.

Pinnan diffuusissa sironnassa sen saavuttavat elektronit menettävät liikemäärän komponentin pintaa pitkin, kun taas pinnasta poispäin liikkuvat elektronit säilyttävät sen. Tämä johtaa virran ilmestymiseen pinnalle.