Фотогальванічної ЕФЕКТ (фотовольтаіче-ський ефект) - виникнення електричні. струму при висвітленні зразка-напівпровідника або діелектрика. включеного в замкнутий ланцюг (фотострум), або виникнення ЕРС на освітленому зразку при розімкнутої зовн. ланцюга (фо-тоедс). Розрізняють два типи Ф. е.
Ф.Е. першого типу виникає тільки при генерації світлом рухомих носіїв заряду одночасно обох знаків (електронів і дірок) і обумовлений поділом цих носіїв в просторі (про Ф. е. другого типу див. нижче). Поділ викликається або неоднорідністю зразка (роль неоднорідності може грати поверхню), або неоднорідністю освітлення (освітлення частини зразка або поглинання світла у поверхні). Поява ЕРС при неоднорідному освітленні може також обумовлюватися "нагріванням" електронів світлом. Цей механізм подібний до "звичайного" термоелектріч. ефекту (див. Термоелектричні явища) і може бути суттєво як при міжзонного поглинанні, так і при внутрізонном.
До Ф. е. пов'язаним з просторовим розділенням носіїв, відносяться: 1) Дембера ефект - виникає при неоднорідному освітленні зразка через відмінності коеф. дифузії електронів і дірок. Він може виникати і при однорідному освітленні внаслідок відмінності швидкостей поверхневої рекомбінації на протилежних гранях зразка (див. Поверхневі стану).
2) В е н т і л ь н а я (б а р ь е р н а я) е д с - утворюється в результаті поділу електронів і дірок електричні. полем приелектродному Шотткі бар'єру на контакті метал - напівпровідник. полем р-п-переходу або гетероперехода .На рис. 1 схематично показано розподіл пар, що виникає при освітленні р-n-переходу. Внесок в ток дають як носії, що генеруються безпосередньо в області р - n-переходу, так і порушувані в приелектродних областях і досягають області сильного поля шляхом дифузії. В результаті поділу пар утворюється спрямований потік електронів в n -область і дірок в p -област'. При розімкнутому ланцюзі створюється ЕРС в пропускному (прямому) напрямку р-n-переходу, що компенсує цей струм.
Мал. 1. Поділ порушуваних світлом електронно-доручених пар на р - n-переході.
Фотоелементи на р - n-переходу або гетероперехідах використовуються як високочувствіт. малоінерційні приймачі випромінювання, а також для прямого перетворення світлової енергії в електричну (див. Сонячна батарея) .При реєстрації випромінювання фотоелемент безпосередньо замикається на зовн. навантаження або послідовно з навантаженням включається зовн. джерело, що створює на р -n-переході значить. зміщення в запірному напрямку. Це дає можливість істотно підвищити чутливість приладу.
При висвітленні изолир. поверхні напівпровідника внаслідок поділу пар полем приелектродному бар'єру і зміни заряду на поверхневих пастках відбувається зміна потенціалу поверхні. Потенціал освітленій поверхні зв. п л а в а ю щ і м, а його ізмененіе- п о в е р х н о с т н о м ЕРС. Остання може бути виміряна конденсаторним методом з використанням або вібруючого електроду (метод Кельвіна), або переривчастого освітлення. Вимірюється при цьому зміна контактної різниці потенціалів між поверхнею напівпровідника і металеві. електродом включає крім поверхневої ЕРС (основний внесок) також і ЕРС Дембера, що виникає в приповерхневої області.
3) Про б ь е м н а я ф о т о е д с - викликається поділом пар носіїв на неоднорідностях в обсязі зразка, створюваних зміною концентрації легуючої домішки, або зміною хім. складу складних напівпровідників. Причиною поділу пар є т.зв. в с т р о в и нн про е електричні. поле. Воно створюється в результаті зміни положення рівня Фермі, що залежить від концентрації домішки, а в зразках з перем. хім. складом також і в результаті зміни ширини забороненої зони (в а р і-з о н н и е п о л у п р о в о д н і к и).
Для появи об'ємної ЕРС не потрібно наявності в зразку областей з різним типом провідності. Зазвичай об'ємна ЕРС спостерігається при освітленні внутр. частини зразка, що містить вбудоване поле, при затемнених контактах. Об'ємна ЕРС може виникати також в результаті відсутності компенсації ЕРС Дембера на протилежних межах освітлюваної області при відмінності властивостей напівпровідника у цих кордонів.
4) Ф о т о п ь е з о е л е к т р і ч е с к і й (ф о т о з е р н е т о-е л е к т р і ч е с к и й ) е ф ф е к т - виникнення фотоструму або фотоерс при деформації зразка. Одним з його механізмів є виникнення об'ємної ерс при неоднорідною деформації, що призводить до зміни параметрів напівпровідника, перш за все за зразком. Іншим механізмом Ф. е. є поперечна ЕРС Дембера, що виникає при одноосной деформації, що викликає анізотропію коеф. дифузії носіїв заряду. Останній механізм наиб. ефективний при деформаціях многодолінних напівпровідників. призводять до перерозподілу носіїв між долинами.
5) В и с о к о в о л ь т н а я (а н о м а л ь н а я) е д с - виникає при неоднорідному освітленні і характеризується тим, що електричні. поле направлено вздовж поверхні зразка, її величина пропорц. довжині освітленій області. На відміну від вентильной і об'ємної ЕРС, величини яких брало не перевищують ширини забороненої зони, високовольтна ЕРС може перевищувати 10 3 В. Одним з її механізмів є поперечний ефект Дембера в умовах, коли дифузний струм має компоненту уздовж поверхні; інший механізм - утворення структури р-п-р - п-р. виходить на поверхню. Високовольтна ЕРС виникає внаслідок підсумовування ЕРС на кожній парі несиметричних р-п - і п-p -переходів. Ф. е. другого типу обумовлені асиметрією елементарних процесів фотозбудження носіїв, їх розсіювання і рекомбінації. Ці Ф. е. не вимагають освіти пар вільних носіїв і спостерігаються як при міжзонних переходах, так і при порушенні носіїв з домішок і при поглинанні світла вільними носіями. До цих Ф. е. відносяться: а) ефект захоплення електронів фотонами. пов'язаний з асиметрією в розподілі фотоелектронів по імпульсу, що викликається передачею їм імпульсу фотонів. У двовимірних структурах при оптич. переходах між мінізони фототек захоплення викликаний переваг. переходами електронів з определ. напрямком імпульсу і може істотно перевищувати відповідний струм в об'ємних кристалах.
6) Л і н е й н и й Ф. н.е.- не пов'язаний з передачею імпульсу фотона електронам і тому не змінюється при зміні йаправленія поширення світла на зворотне (при фіксованій лінійної поляризації). Він обумовлений асиметрією розподілу фотоелектронів, к-раю створюється двома механізмами: балістичним, пов'язаних з появою спрямованого імпульсу при квантових переходах, і зсувними, обумовленим зміщенням центру ваги хвильового пакета електрона при переходах. При цьому внесок в струм дають як процеси поглинання світла, так і розсіювання і рекомбінації (в стані теплової рівноваги ці внески компенсуються).
Фототек лінійного Ф. е. описується феноменелогіч. співвідношенням:
де Eb. Eg -проекції вектора поляризації світлової хвилі; cabg - тензор, який визначається симетрією кристала. Він відмінний від 0 лише в п'єзоелектрик (хоча не пов'язаний з пьезоелектріч. Ефектом), тому лінійний Ф. е. може спостерігатися тільки в п'єзоелектрик. У загальному випадку напрямок і величина струму j залежать від положення площини поляризації світла. Напр. для кристала GaAs при поширенні світла вздовж осі [110] ток уздовж [110] дорівнює
де-ступінь лінійної поляризації світла, j - кут-між площиною поляризації і віссю [001] (рис. 2). У кристалах з полярною віссю, як правило, осн. компонента струму спрямована уздовж цієї осі і не залежить від поляризації випромінювання.
Мал. 2. Залежність фотоерс, обусловленнойлінейним фотогальванічним ефектом в p -GaAs. від кута j між площиною поляризації світла іосью кристала [001]; T = 300 К, l = 10,6 мкм.
Мал. 3. Залежність поздовжньої фотоерс в Ті, що виникає при поширенні світла вздовж осі с3. від ступеня циркулярної поляризації
При нестаціонарному освітленні пьезоелектріков внесок в струм дає не тільки лінійний Ф. е. але і ефект оптич. випрямлення (d-с -е ф ф е к т), т. е. квадратична по Е поляризація кристала, що виникає при освітленні. Відповідний струм (див. Детектування світла).
в) Ц і р к у л я р н и й Ф. н.е.- виникає в гіротропних кристалах при висвітленні циркулярно (еліптично) поляризованим світлом і змінює знак при зміні знаку кругової поляризації. описується співвідношенням
тензор gab відмінний від 0 до г і р о т р про п н и х к р і з т а л л а х. У кубич. кристалах класів Т і О (див. Симетрія кристалів). а також в одновісних кристалах при поширенні світла вздовж гл. осей 3-, 4- і 6-го порядків
напрямок струму збігається (або назад йому) з напрямком поширення світла (рис, 3), циркулярний Ф. е. створюється баллістіч. механізмом. Причина цього ефекту-кореляція між спіном електрона і його імпульсом в гіротропних кристалах. При порушенні електронів циркулярно поляризованим світлом, що призводить до оптичної орієнтації спінів, вони одночасно набувають і спрямований імпульс. Спостерігався і зворотний ефект - оптич. активність, індукована струмом; вона викликається орієнтацією спінів в гіротропних кристалах при пропущенні струму.
Лінійний і циркулярний Ф. е. як і ефект захоплення, використовуються для створення безінерційних приймачів інтенсивного (лазерного) випромінювання. У діелектриках лінійний Ф. е. є осн. механізмом оптич. пам'яті, т. к. він призводить до зміни показника заломлення, що зберігається після вимкнення світла і залежному від його інтенсивності. Ця зміна викликається замороженими електричні. полями, виникаючими в результаті перезарядки пасток фотострумів.
г) П о в е р х н о с т н и й Ф. н.е.- обумовлений розсіюванням порушуваних світлом носіїв заряду на поверхні. При міжзонного поглинанні виникає в умовах, коли значить. частина порушуваних носіїв може досягти її без розсіювання. В цьому випадку в результаті відбиття електронів від поверхні виникає баллістіч. ток, нормальний до поверхні.
У тих випадках, коли при порушенні носіїв відбувається їх вибудовування по імпульсу, т. Е. Їх ф-ція розподілу є анізотропної, може з'явитися і струм, поточний уздовж поверхні. Для цього необхідно, щоб пор. значення компоненти імпульсу уздовж поверхні для електронів, що рухаються до поверхні і від неї, не дорівнювали нулю і відрізнялися знаком. Такий розподіл виникає, напр. при порушенні носіїв з вироджених валентної зони кубич. кристалів в зону провідності. При неупругом (дифузному) розсіянні на поверхні електрони, що досягають її, втрачають спрямований імпульс уздовж поверхні, тоді як електрони, що рухаються від поверхні, зберігають його, що і призводить до виникнення струму уздовж поверхні.
При поглинанні або відображенні світла вільними носіями в напівпровідниках (і металах) поверхневий Ф. е. виникає при похилому падінні світла, а також і при нормальному падінні, якщо нормаль до поверхні не збігається з однією з головних осей кристала внаслідок передачі імпульсу фотонів електронам.