Вентильный фотоэффект. ФотоЭДС

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).

Различают фотоэффект внешний внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриков), а также в газах и отдельных атомах и молекулах (фото ионизация). Фотоэффект обнаружен (1887 году) Г. Герцем, наблюдавший усилие процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Два электрона (катод К из исследуемого металла и анод А в схеме Столетова применялось металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батареи так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значения, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим светом (через кварцевое окошко), измеряется включенным в цепь миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности не утратившие свое значения до нашего времени:

1. Наиболее эффективное воздействие оказывает ультрафиолетовое излучение.

2. Под воздействием света вещество теряет только отрицательные заряды.

Дж.Дж. Томас в 1898 г. Измерил уделы заряд испускаемых под воздействием света частиц (по отклонению в электрическом и магнитном полях). Эти измерения показали, что под действием света вырабатываются электроны.

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект - это вызванный электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний свободные без вылета наружу. В результате концентрации носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновения фотопроводимости (по повышения электропроводимости фотопроводника или диэлектрика при его освещении) или возникновению э.д.с.

Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект- возникает э.д.с (фото-э.д.с.) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла(при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает, таким образом, пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую

Вольт-амперная характеристика фотоэффекта

Вольт-Амперная характеристика фотоэффекта - зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием тока от напряжения U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещенностям Е е катода (частота света в обоих случаях одинакова). По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока I нас - фототок насыщения - определяется таким значением U, при котором все электроны испускаемые катодом, достигают анода.

Из вольта-амперной характеристики следует, что при U=0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того что бы фототок стал равным нулю необходимо приложить задерживающие напряжение U 0 . При U= U 0 ни один из электронов даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью v max , не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

Где n - число электронов испускаемое катодом в 1с.

mv 2 max /2= e U 0

т.е. измерив сдерживающиеся напряжение U0, можно определить максимальное значения скорости и кинетической энергии фотоэлектронов.

При излучении вольт-амперных характеристик разнообразных материалов (важна частота поверхности, поэтому измерение проводятся в вакууме и на свежих поверхностях) при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода и обобщения полученных данных были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта.

Вентильный фотоэффект , или фотоэффект в запирающем слое – вследствие внутреннего фотоэффекта возникает разность потенциалов вблизи контакта между металлом и полупроводником или между полупроводниками p и n типа. Вентильный фотоэлемент.

На металлический электрод 1 нанесен слой полупроводника 2, покрытый тонким полупрозрачным слоем золота 4, к нему плотно прижато метал.кольцо 5, служащее электродом. Между полупроводником и слоем золота возникает промежуточный слой 3, который обладает свойством пропускать электроны только в одном направлении – от полупроводника к золоту.

Если осветить p-n-переход светом, в области контакта двух полупроводни-ков, то возникают дополнительные носители заряда (электроны в p-области, дырки в областиn), которые достаточно легко проходят через переход. В результате в p- области образуется избыточный положитель-ный заряд, а в n-области – избыточ-ный отрицательный. Возникающая на контактах этих полупроводников разность потенциалов при поглощении в нем квантов эл/м излучения называется фотоэлектрод-вижущей силой (фото-ЭДС ). Если такой образец включить в замкнутую цепь, то возникнет электрический ток, который называется фототоком . Значение фото−ЭДС при небольших световых потоках пропорционально падающему на кристалл потоку. На явлении вентильного фотоэффекта основано действие солнечных батарей . Они представляют собой от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч элементов из кремниевых p-n-переходов, соед. последовательно. Солнечные батареи преобразуют световую энергию непосредственно в электрическую.

9.Корпускулярно-волновой дуализм

Но явления интерференции и дифракции света никак в эту теорию не вписывались. Изтеория эл/м поля и уравнений Максвелла: свет – это просто частный случай эл/м волн, то есть процесса распространения в пространстве эл/м поля.

Волновая оптика объяснила не только те явления, которые не объяснялись с помощью корпускулярной теории, но и все известные.

В начале 20го века были обнаружены явления, которые с помощью волновой теории объяснить не удавалось. Это – давление света, фотоэффект, Комптон-эффект и законы теплового излучения. В рамках корпускулярной теории эти явления прекрасно объяснялись. Макс Планк назвал корпускулы световыми квантами, а Альберт Эйнштейн – фотонами. Эти две теории полностью дополняли друг друга.

Теория, объединяющая в себе и волновую, и корпускулярную теории - квантовая физика. Она не отвергает ни корпускулярную, ни волновую теории

Свет – диалектическое единство противоположных свойств: он одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и дискретных фотонов.

При уменьшении длины волны проявляются корпускулярные свойства. Волновые свойства коротковолнового излучения проявляются слабо (например, рентгеновское излучение). Наоборот, у длинноволнового инфракрасного излучения слабо проявляются квантовые свойства.

Освещенность в различных точках экрана прямо пропорциональна вероятности попадания фотонов в эти точки экрана.Но, такжеосвещенность пропорциональна интенсивности света I, котораяв свою очередь,пропорциональна квадрату амплитудыволны А 2 , вывод: квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке есть мера вероятности попадания фотонов в эту точку .

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 %.

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