Fotogalvaaniline efekt ja selle sordid

Esimest korda täheldas niinimetatud fotogalvaanilist (või fotogalvaanilist) efekti 1839. aastal prantsuse füüsik Alexandre Edmond Becquerel.

Oma isa laboris katsetades avastas ta, et elektrolüütilisse lahusesse sukeldatud plaatinaplaate valgustades näitas plaatidega ühendatud galvanomeeter elektromotoorjõud... Peagi leidis üheksateistkümneaastane Edmund oma avastuseks kasuliku rakenduse – lõi aktinograafi – seadme langeva valguse intensiivsuse registreerimiseks.

Tänapäeval hõlmavad fotogalvaanilised efektid tervet rühma nähtusi, mis on ühel või teisel viisil seotud elektrivoolu ilmnemisega suletud ahelas, mis hõlmab valgustatud pooljuht- või dielektrinäidist või EMF-i nähtust valgustatud näidisel, kui väline ahel on avatud. Sel juhul eristatakse kahte tüüpi fotogalvaanilisi efekte.

Esimest tüüpi fotogalvaanilised efektid hõlmavad järgmist: kõrge elektriline foto-EMF, mahuga foto-EMF, klapi foto-EMF, samuti fotoepisoelektriline efekt ja Demberi efekt.

Teist tüüpi fotogalvaanilised efektid hõlmavad: elektronide kaasahaaramise mõju footonite poolt, samuti pinna-, ringikujulisi ja lineaarseid fotogalvaanilisi efekte.

Esimese ja teise tüübi mõjud

Esimest tüüpi fotogalvaanilised efektid on põhjustatud protsessist, mille käigus valgusefekt tekitab kahe märgiga mobiilsed elektrilaengukandjad — elektronid ja augud, mis viib nende eraldumiseni proovi ruumis.

Eraldamise võimalus on sel juhul seotud kas proovi ebahomogeensusega (selle pinda võib pidada proovi ebahomogeensuseks) või valgustuse ebahomogeensusega, kui valgus neeldub pinna lähedalt või kui ainult osa valgust. proovi pind on valgustatud, nii et EMF tekib elektronide termilise liikumise kiiruse suurenemise tõttu neile langeva valguse mõjul.

Teist tüüpi fotogalvaanilised efektid on seotud laengukandjate valguse ergastamise elementaarsete protsesside asümmeetriaga, nende hajumise ja rekombinatsiooni asümmeetriaga.

Seda tüüpi efektid ilmnevad ilma vastassuunaliste laengukandjate paaride täiendava moodustumiseta, need on põhjustatud ribadevahelistest üleminekutest või võivad olla seotud laengukandjate ergastusega lisandite poolt, lisaks võivad need olla põhjustatud valgusenergia neeldumisest laengukandjate poolt. tasuta laengukandjad.

Järgmisena vaatame fotogalvaaniliste efektide mehhanisme. Esmalt vaatleme esimest tüüpi fotogalvaanilisi efekte, seejärel pöörame tähelepanu teise tüübi mõjudele.

Paksem efekt

Demberi efekt võib ilmneda proovi ühtlase valgustuse korral lihtsalt pinna rekombinatsioonikiiruste erinevuse tõttu selle vastaskülgedel. Proovi ebaühtlase valgustuse korral põhjustab Demberi efekti elektronide ja aukude difusioonikoefitsientide (liikuvuse erinevus) erinevus.

Demberi efekti, mis käivitatakse impulssvalgustusega, kasutatakse terahertsivahemikus kiirguse tekitamiseks. Demberi efekt avaldub kõige enam suure elektronide liikuvusega kitsa vahega pooljuhtides, nagu InSb ja InAs.[banner_adsense]

Barjäärifoto-EMF

Värava või barjääri foto-EMF tuleneb elektronide ja aukude eraldamisest elektrivälja abil Schottky tõkkest metall-pooljuht kontakti korral, samuti välja p-n-ristmik või heteroristmik.

Vool kujuneb siin nii pn-siirde piirkonnas otse tekitatud laengukandjate kui ka elektroodilähedastes piirkondades ergastuvate ja difusiooni teel tugeva välja piirkonda jõudvate laengukandjate liikumisel.

Paaride eraldamine soodustab auguvoolu teket p piirkonnas ja elektronide voolu teket n piirkonnas. Kui vooluahel on avatud, siis EMF toimib p-n-siirde jaoks otsesuunas, seega kompenseerib selle toime algse nähtuse.

See efekt on toimimise aluseks päikesepatareid ja madala reaktsiooniga ülitundlikud kiirgusdetektorid.

Mahuline foto-EMF

Hulgifoto-EMF, nagu selle nimigi viitab, tekib laengukandjate paaride eraldumise tulemusena proovi põhiosast ebahomogeensuse korral, mis on seotud lisandi kontsentratsiooni muutusega või keemilise koostise muutumisega (kui pooljuht on liit).

Siin on paaride eraldumise põhjuseks nn Vastupidine elektriväli, mis tekib Fermi taseme asendi muutumisel, mis omakorda sõltub lisandite kontsentratsioonist. Või kui me räägime keerulise keemilise koostisega pooljuhist, siis paaride lõhenemine tuleneb ribalaiuse muutumisest.

Puistefotoelektriliste elementide ilmumise nähtus on rakendatav pooljuhtide sondeerimisel nende homogeensuse määra määramiseks. Proovi resistentsus on samuti seotud ebahomogeensusega.

Kõrgepinge foto-EMF

Ebanormaalne (kõrgepinge) foto-EMF tekib siis, kui ebaühtlane valgustus põhjustab piki proovi pinda suunatud elektrivälja. Saadud EMF-i suurus on võrdeline valgustatud ala pikkusega ja võib ulatuda 1000 voltini või rohkem.

Mehhanismi võib põhjustada kas Demberi efekt, kui hajusvoolul on pinnale suunatud komponent, või pinnale projitseeriva p-n-p-n-p struktuuri teke. Saadud kõrgepinge EMF on iga asümmeetrilise n-p ja p-n ristmiku paari kogu EMF.

Fotoepisoelektriline efekt

Fotoepisoelektriline efekt on fotovoolu või fotoemfi ilmnemise nähtus proovi deformatsiooni ajal. Üks selle mehhanisme on hulgi-EMF-i ilmumine mittehomogeense deformatsiooni ajal, mis põhjustab pooljuhi parameetrite muutumist.

Teine fotoepisoelektrilise EMF-i ilmnemise mehhanism on põiksuunaline Demberi EMF, mis tekib üheteljelise deformatsiooni korral, mis põhjustab laengukandjate difusioonikoefitsiendi anisotroopiat.

Viimane mehhanism on kõige tõhusam mitme oru pooljuhtide deformatsioonide korral, mis põhjustab kandjate ümberjaotamist orgude vahel.

Oleme vaadanud kõiki esimese tüübi fotogalvaanilisi efekte, seejärel vaatleme teisele tüübile omistatud efekte.

Elektronide külgetõmbe mõju footonite poolt

See efekt on seotud fotoelektronide jaotumise asümmeetriaga footonitest saadava impulsi üle. Kahemõõtmelistes optiliste miniribaüleminekutega struktuurides põhjustavad libisevat fotovoolu peamiselt teatud impulsi suunaga elektronsiirded ja see võib massikristallides vastavat voolu oluliselt ületada.

Lineaarne fotogalvaaniline efekt

See efekt on tingitud fotoelektronide asümmeetrilisest jaotusest proovis. Siin moodustavad asümmeetria kaks mehhanismi, millest esimene on ballistiline, mis on seotud impulsi suunaga kvantülemineku ajal, ja teine ​​on nihkejõud, mis on tingitud elektronide lainepaketi raskuskeskme nihkest kvantsiirded.

Lineaarne fotogalvaaniline efekt ei ole seotud impulsi ülekandega footonitelt elektronidele, mistõttu fikseeritud lineaarse polarisatsiooni korral see valguse levimissuuna ümberpööramisel ei muutu Valguse neeldumise ja hajumise ning rekombinatsiooni protsessid aitavad kaasa vool (need panused kompenseeritakse termilise tasakaalu korral).

See dielektrikutele rakendatav efekt võimaldab rakendada optilise mälu mehhanismi, kuna see toob kaasa murdumisnäitaja muutuse, mis sõltub valguse intensiivsusest ja jätkub ka pärast selle väljalülitamist.

Ringikujuline fotogalvaaniline efekt

Efekt ilmneb siis, kui seda valgustatakse gürotroopsetest kristallidest pärineva elliptiliselt või ringpolariseeritud valgusega. Polarisatsiooni muutumisel pöörab EMF märgi ümber. Mõju põhjus peitub spinni ja elektronimpulsi vahelises seoses, mis on omane gürotroopsetele kristallidele. Kui elektrone ergastab ringpolariseeritud valgus, on nende spinnid optiliselt orienteeritud ja vastavalt sellele tekib suunaline vooluimpulss.

?

Vastupidise efekti olemasolu väljendub optilise aktiivsuse ilmnemises voolu mõjul: ülekantav vool põhjustab spinnide orientatsiooni gürotroopsetes kristallides.

Viimased kolm efekti toimivad inertsiaalsetes vastuvõtjates. laserkiirgus.

Pinnapealne fotogalvaaniline efekt

Pinnapealne fotogalvaaniline efekt tekib siis, kui valgus peegeldub või neeldub metallides ja pooljuhtides vabade laengukandjate poolt, mis on tingitud impulsi ülekandest footonitelt elektronidele valguse kaldus langemise ajal ja ka normaalse langemise ajal, kui kristalli pinna normaal erineb suunas ühest peamisest kristalli teljest.

Mõju seisneb valgusega ergastatud laengukandjate hajumises näidise pinnal. Ribadevahelise neeldumise korral toimub see tingimusel, et oluline osa ergastatud kandjatest jõuab pinnale ilma hajumiseta.

Seega, kui elektronid peegelduvad pinnalt, moodustub ballistiline vool, mis on suunatud pinnaga risti. Kui ergastamisel asetsevad elektronid inertsis, võib tekkida piki pinda suunatud vool.

Selle efekti ilmnemise tingimus on piki pinda liikuvate elektronide impulsi keskmiste väärtuste "pinna poole" ja "pinnalt" nullist erineva komponentide märgi erinevus. Tingimus on täidetud näiteks kuupkristallides laengukandjate ergastamisel degenereerunud valentsribalt juhtivusribale.

Pinna poolt hajutatud hajumisel kaotavad sellele jõudvad elektronid piki pinda impulsi komponendi, samal ajal kui pinnalt eemalduvad elektronid säilitavad selle. See toob kaasa voolu ilmumise pinnale.