Fotovoltaïsch effect en zijn variëteiten

Voor het eerst werd het zogenaamde fotovoltaïsche (of fotovoltaïsche) effect waargenomen in 1839 door de Franse natuurkundige Alexandre Edmond Becquerel.

Tijdens zijn experimenten in het laboratorium van zijn vader ontdekte hij dat door platinaplaten ondergedompeld in een elektrolytische oplossing te verlichten, een galvanometer die op de platen was aangesloten, de aanwezigheid van elektromotorische kracht… Al snel vond de negentienjarige Edmund een bruikbare toepassing voor zijn ontdekking - hij creëerde een actinograaf - een apparaat om de intensiteit van invallend licht vast te leggen.

Tegenwoordig omvatten fotovoltaïsche effecten een hele groep verschijnselen, op de een of andere manier, die verband houden met het optreden van een elektrische stroom in een gesloten circuit, waaronder een verlicht halfgeleider- of diëlektrisch monster, of het EMF-fenomeen op een verlicht monster, als de externe circuit is open. In dit geval worden twee soorten fotovoltaïsche effecten onderscheiden.

Het eerste type fotovoltaïsche effecten omvat: hoge elektrische foto-EMF, volume foto-EMF, klep foto-EMF, evenals het foto-epizo-elektrische effect en het Dember-effect.

Fotovoltaïsche effecten van het tweede type omvatten: het effect van meesleuren van elektronen door fotonen, evenals oppervlakte-, cirkelvormige en lineaire fotovoltaïsche effecten.

Effecten van het eerste en tweede type

Fotovoltaïsche effecten van het eerste type worden veroorzaakt door een proces waarbij een lichteffect mobiele elektrische ladingsdragers van twee karakters genereert - elektronen en gaten, wat leidt tot hun scheiding in de ruimte van het monster.

De mogelijkheid van scheiding houdt in dit geval verband met de inhomogeniteit van het monster (het oppervlak ervan kan worden beschouwd als de inhomogeniteit van het monster) of met de inhomogeniteit van de verlichting wanneer licht dichtbij het oppervlak wordt geabsorbeerd of wanneer slechts een deel van de monsteroppervlak is verlicht , dus de EMF ontstaat door een toename van de snelheid van thermische beweging van elektronen onder invloed van licht dat erop valt.

Fotovoltaïsche effecten van het tweede type worden geassocieerd met de asymmetrie van de elementaire excitatieprocessen van ladingsdragers door licht, de asymmetrie van hun verstrooiing en recombinatie.

Effecten van dit type verschijnen zonder de extra vorming van paren van tegengestelde ladingsdragers, ze worden veroorzaakt door interbandovergangen of kunnen verband houden met de excitatie van ladingsdragers door onzuiverheden, bovendien kunnen ze worden veroorzaakt door de absorptie van lichtenergie door de gratis ladingdragers.

Laten we vervolgens eens kijken naar de mechanismen van fotovoltaïsche effecten. We zullen eerst kijken naar fotovoltaïsche effecten van het eerste type en daarna onze aandacht richten op de effecten van het tweede type.

Dikker effect

Het Dember-effect kan optreden bij gelijkmatige verlichting van het monster, simpelweg vanwege het verschil in oppervlakterecombinatiesnelheden aan de tegenoverliggende zijden. Bij ongelijkmatige verlichting van het monster wordt het Dember-effect veroorzaakt door het verschil in de diffusiecoëfficiënten (verschil in mobiliteit) van elektronen en gaten.

Het Dember-effect, geïnitieerd door gepulseerde verlichting, wordt gebruikt om straling in het terahertz-bereik te genereren. Het Dember-effect is het meest uitgesproken in halfgeleiders met een hoge elektronenmobiliteit en nauwe openingen, zoals InSb en InAs.[banner_adsense]

Barrière foto-EMF

De poort of barrière foto-EMF is het resultaat van de scheiding van elektronen en gaten door een elektrisch veld van de Schottky-barrière in het geval van een metaal-halfgeleidercontact, evenals het veld p-n-kruising of heterojunctie.

De stroom wordt hier gevormd door de beweging van zowel ladingsdragers die direct worden gegenereerd in het gebied van de pn-overgang, als die ladingsdragers die worden geëxciteerd in de gebieden dicht bij de elektrode en door diffusie het gebied van het sterke veld bereiken.

Paarscheiding bevordert de vorming van gatenstroom in het p-gebied en elektronenstroom in het n-gebied. Als het circuit open is, werkt de EMF in de directe richting voor de pn-overgang, dus de actie compenseert het oorspronkelijke fenomeen.

Dit effect is de basis van functioneren zonnepanelen en zeer gevoelige stralingsdetectoren met lage respons.

Volumetrische foto-EMF

Bulk foto-EMF, zoals de naam al doet vermoeden, ontstaat als gevolg van de scheiding van paren ladingsdragers in het grootste deel van het monster bij inhomogeniteiten geassocieerd met een verandering in de concentratie van het doteermiddel of met een verandering in de chemische samenstelling (indien de halfgeleider is samengesteld).

Hier is de reden voor de scheiding van de paren de zogenaamde Een tegen-elektrisch veld dat wordt gecreëerd door een verandering in de positie van het Fermi-niveau, dat op zijn beurt afhangt van de onzuiverheidsconcentratie. Of, als we het hebben over een halfgeleider met een complexe chemische samenstelling, is het splitsen van paren het gevolg van een verandering in bandbreedte.

Het fenomeen van het verschijnen van foto-elektrische massa's is van toepassing op het sonderen van halfgeleiders om de mate van hun homogeniteit te bepalen. De monsterweerstand houdt ook verband met inhomogeniteiten.

Hoogspanning foto-EMF

Abnormale (hoogspanning) foto-EMF treedt op wanneer niet-uniforme verlichting een elektrisch veld veroorzaakt dat langs het oppervlak van het monster wordt geleid. De grootte van de resulterende EMF zal evenredig zijn met de lengte van het verlichte gebied en kan oplopen tot 1000 volt of meer.

Het mechanisme kan worden veroorzaakt door het Dember-effect, als de diffuse stroom een ​​oppervlaktegerichte component heeft, of door de vorming van een pnpnp-structuur die naar het oppervlak uitsteekt. De resulterende hoogspannings-EMV is de totale EMF van elk paar asymmetrische np- en pn-overgangen.

Foto-epizo-elektrisch effect

Het foto-epizo-elektrische effect is het fenomeen van het verschijnen van een fotostroom of fotoemf tijdens de vervorming van het monster. Een van de mechanismen is het verschijnen van bulk-EMV tijdens inhomogene vervorming, wat leidt tot een verandering in de parameters van de halfgeleider.

Een ander mechanisme voor het verschijnen van foto-episo-elektrische EMF is de transversale Dember EMF, die optreedt onder uniaxiale vervorming, wat anisotropie van de diffusiecoëfficiënt van ladingsdragers veroorzaakt.

Het laatste mechanisme is het meest effectief bij halfgeleidervervormingen met meerdere valleien, wat leidt tot een herverdeling van dragers tussen valleien.

We hebben gekeken naar alle fotovoltaïsche effecten van het eerste type, daarna kijken we naar de effecten die worden toegeschreven aan het tweede type.

Het effect van elektronenaantrekking door fotonen

Dit effect hangt samen met de asymmetrie in de verdeling van foto-elektronen over het momentum dat van de fotonen wordt verkregen. In tweedimensionale structuren met optische minibandovergangen wordt de glijdende fotostroom voornamelijk veroorzaakt door elektronenovergangen met een bepaalde impulsrichting en kan de overeenkomstige stroom in bulkkristallen aanzienlijk overschrijden.

Lineair fotovoltaïsch effect

Dit effect is te wijten aan de asymmetrische verdeling van foto-elektronen in het monster. Hier wordt de asymmetrie gevormd door twee mechanismen, waarvan de eerste ballistisch is, gerelateerd aan de directionaliteit van de puls tijdens de kwantumovergangen, en de tweede afschuiving, vanwege de verschuiving van het zwaartepunt van het golfpakket elektronen tijdens de kwantumovergangen.

Het lineaire fotovoltaïsche effect is niet gerelateerd aan de overdracht van momentum van fotonen naar elektronen, daarom verandert het bij een vaste lineaire polarisatie niet wanneer de richting van lichtvoortplanting wordt omgekeerd.De processen van lichtabsorptie en -verstrooiing en recombinatie dragen bij aan de stroom (deze bijdragen worden gecompenseerd bij thermisch evenwicht).

Dit effect, toegepast op diëlektrica, maakt het mogelijk om het mechanisme van optisch geheugen toe te passen, omdat het leidt tot een verandering in de brekingsindex, die afhangt van de intensiteit van het licht, en doorgaat zelfs nadat het is uitgeschakeld.

Circulair fotovoltaïsch effect

Het effect treedt op wanneer verlicht door elliptisch of circulair gepolariseerd licht van gyrotrope kristallen. De EMF keert van teken om wanneer de polarisatie verandert. De reden voor het effect ligt in de relatie tussen spin en elektronenmomentum, die inherent is aan gyrotrope kristallen. Wanneer elektronen worden geëxciteerd door circulair gepolariseerd licht, zijn hun spins optisch georiënteerd en dienovereenkomstig treedt er een gerichte stroompuls op.

?

De aanwezigheid van het tegenovergestelde effect komt tot uiting in het verschijnen van optische activiteit onder invloed van een stroom: de uitgezonden stroom veroorzaakt de oriëntatie van de spins in gyrotrope kristallen.

De laatste drie effecten dienen in traagheidsontvangers. laser straling.

Oppervlakte fotovoltaïsch effect

Het oppervlakte-fotovoltaïsche effect treedt op wanneer licht wordt gereflecteerd of geabsorbeerd door vrije ladingsdragers in metalen en halfgeleiders als gevolg van de overdracht van momentum van fotonen naar elektronen tijdens schuine lichtinval en ook tijdens normale inval als de normaal op het oppervlak van het kristal verschilt in richting van een van de belangrijkste kristalassen.

Het effect bestaat uit het fenomeen van verstrooiing van door licht opgewekte ladingsdragers op het oppervlak van het monster. In het geval van interbandabsorptie vindt dit plaats onder de voorwaarde dat een aanzienlijk deel van de geëxciteerde dragers het oppervlak bereikt zonder verstrooiing.

Dus wanneer de elektronen vanaf het oppervlak worden gereflecteerd, wordt een ballistische stroom gevormd, loodrecht op het oppervlak gericht. Als de elektronen zich bij excitatie in inertie rangschikken, kan er een stroom langs het oppervlak verschijnen.

De voorwaarde voor het optreden van dit effect is het verschil in het teken van de niet-nulcomponenten van de gemiddelde waarden van het momentum "naar het oppervlak" en "vanaf het oppervlak" voor elektronen die langs het oppervlak bewegen. Aan de voorwaarde wordt bijvoorbeeld voldaan in kubische kristallen, bij excitatie van ladingsdragers van de gedegenereerde valentieband naar de geleidingsband.

Bij diffuse verstrooiing door een oppervlak verliezen elektronen die het bereiken de component van het momentum langs het oppervlak, terwijl elektronen die van het oppervlak weggaan, het vasthouden. Dit leidt tot het verschijnen van een stroom op het oppervlak.