Photovoltaischer Effekt und seine Varianten

Der sogenannte photovoltaische (oder photovoltaische) Effekt wurde erstmals 1839 vom französischen Physiker Alexandre Edmond Becquerel beobachtet.

Bei Experimenten im Labor seines Vaters entdeckte er, dass durch Beleuchten von Platinplatten, die in eine Elektrolytlösung getaucht waren, ein mit den Platten verbundenes Galvanometer das Vorhandensein von Platin anzeigte elektromotorische Kraft… Bald fand der neunzehnjährige Edmund eine nützliche Anwendung für seine Entdeckung – er schuf einen Aktinographen – ein Gerät zur Aufzeichnung der Intensität des einfallenden Lichts.

Heutzutage umfassen photovoltaische Effekte eine ganze Gruppe von Phänomenen, die auf die eine oder andere Weise mit dem Auftreten eines elektrischen Stroms in einem geschlossenen Stromkreis, der eine beleuchtete Halbleiter- oder dielektrische Probe umfasst, oder dem EMF-Phänomen an einer beleuchteten Probe, wenn dies der Fall ist, zusammenhängen Der externe Stromkreis ist offen. Dabei werden zwei Arten von photovoltaischen Effekten unterschieden.

Zur ersten Art von photovoltaischen Effekten gehören: hohe elektrische Photo-EMF, Volumen-Photo-EMF, Ventil-Photo-EMF sowie der photoepizoelektrische Effekt und der Dember-Effekt.

Zu den photovoltaischen Effekten der zweiten Art gehören: der Effekt der Mitnahme von Elektronen durch Photonen sowie Oberflächen-, kreisförmige und lineare photovoltaische Effekte.

Effekte erster und zweiter Art

Photovoltaische Effekte der ersten Art werden durch einen Prozess verursacht, bei dem durch Lichteinwirkung bewegliche elektrische Ladungsträger zweier Art – Elektronen und Löcher – erzeugt werden, was zu deren Trennung im Raum der Probe führt.

Die Möglichkeit einer Trennung hängt in diesem Fall entweder mit der Inhomogenität der Probe zusammen (ihre Oberfläche kann als Inhomogenität der Probe betrachtet werden) oder mit der Inhomogenität der Beleuchtung, wenn Licht nahe der Oberfläche absorbiert wird oder wenn nur ein Teil davon absorbiert wird Probenoberfläche wird beleuchtet , daher entsteht die EMF aufgrund einer Erhöhung der Geschwindigkeit der thermischen Bewegung von Elektronen unter dem Einfluss von auf sie fallendem Licht.

Photovoltaische Effekte der zweiten Art sind mit der Asymmetrie der Elementarprozesse der Anregung von Ladungsträgern durch Licht, der Asymmetrie ihrer Streuung und Rekombination verbunden.

Effekte dieser Art treten ohne die zusätzliche Bildung von Paaren entgegengesetzter Ladungsträger auf, sie werden durch Interbandübergänge verursacht oder können mit der Anregung von Ladungsträgern durch Verunreinigungen zusammenhängen, außerdem können sie durch die Absorption von Lichtenergie durch die verursacht werden kostenlose Ladungsträger.

Schauen wir uns als nächstes die Mechanismen photovoltaischer Effekte an. Wir werden uns zunächst mit den photovoltaischen Effekten der ersten Art befassen und uns dann den Effekten der zweiten Art zuwenden.

Stärkerer Effekt

Der Dember-Effekt kann bei gleichmäßiger Beleuchtung der Probe auftreten, einfach aufgrund der unterschiedlichen Oberflächenrekombinationsraten auf den gegenüberliegenden Seiten. Bei ungleichmäßiger Beleuchtung der Probe wird der Dember-Effekt durch den Unterschied in den Diffusionskoeffizienten (Unterschied in der Beweglichkeit) von Elektronen und Löchern verursacht.

Der durch gepulste Beleuchtung ausgelöste Dember-Effekt wird zur Erzeugung von Strahlung im Terahertz-Bereich genutzt. Der Dember-Effekt ist in Halbleitern mit hoher Elektronenmobilität und schmaler Bandlücke wie InSb und InAs am ausgeprägtesten.[banner_adsense]

Barriere-Foto-EMF

Die Gate- oder Barriere-Photo-EMK entsteht durch die Trennung von Elektronen und Löchern durch ein elektrisches Feld der Schottky-Barriere im Falle eines Metall-Halbleiter-Kontakts auch das Feld p-n-Übergang oder Heteroübergang.

Der Strom entsteht dabei durch die Bewegung sowohl der Ladungsträger, die direkt im Bereich des pn-Übergangs erzeugt werden, als auch derjenigen Ladungsträger, die in den elektrodennahen Bereichen angeregt werden und durch Diffusion in den Bereich des starken Feldes gelangen.

Die Paartrennung fördert die Bildung eines Lochflusses im p-Bereich und eines Elektronenflusses im n-Bereich. Wenn der Stromkreis offen ist, wirkt die EMF in direkter Richtung zum pn-Übergang, sodass ihre Wirkung das ursprüngliche Phänomen kompensiert.

Dieser Effekt ist die Grundlage des Funktionierens Solarzellen und hochempfindliche Strahlungsdetektoren mit geringer Reaktion.

Volumetrisches Photo-EMF

Bulk-Photo-EMF entsteht, wie der Name schon sagt, durch die Trennung von Ladungsträgerpaaren in der Masse der Probe bei Inhomogenitäten, die mit einer Änderung der Konzentration des Dotierstoffs oder mit einer Änderung der chemischen Zusammensetzung (falls vorhanden) verbunden sind der Halbleiter ist eine Verbindung).

Der Grund für die Trennung der Paare ist hier der sogenannte Ein elektrisches Gegenfeld, das durch eine Änderung der Position des Fermi-Niveaus entsteht, die wiederum von der Verunreinigungskonzentration abhängt. Oder wenn wir von einem Halbleiter mit komplexer chemischer Zusammensetzung sprechen, resultiert die Aufspaltung von Paaren aus einer Änderung der Bandbreite.

Das Phänomen des Auftretens von Massenfotoelektrika lässt sich auf die Untersuchung von Halbleitern anwenden, um den Grad ihrer Homogenität zu bestimmen. Der Probenwiderstand hängt auch mit Inhomogenitäten zusammen.

Hochspannungs-Foto-EMF

Eine abnormale (Hochspannungs-)Photo-EMF tritt auf, wenn eine ungleichmäßige Beleuchtung ein entlang der Probenoberfläche gerichtetes elektrisches Feld verursacht. Die Stärke der resultierenden EMF ist proportional zur Länge des beleuchteten Bereichs und kann 1000 Volt oder mehr erreichen.

Der Mechanismus kann entweder durch den Dember-Effekt verursacht werden, wenn der diffuse Strom eine oberflächengerichtete Komponente hat, oder durch die Bildung einer zur Oberfläche projizierten p-n-p-n-p-Struktur. Die resultierende Hochspannungs-EMK ist die gesamte EMK jedes Paares asymmetrischer NP- und P-N-Übergänge.

Photoepizoelektrischer Effekt

Der photoepizoelektrische Effekt ist das Phänomen des Auftretens eines Photostroms oder einer Photoemf während der Verformung der Probe. Einer seiner Mechanismen ist das Auftreten von Massen-EMF während der inhomogenen Verformung, was zu einer Änderung der Parameter des Halbleiters führt.

Ein weiterer Mechanismus für das Auftreten einer photoepisoelektrischen EMF ist die transversale Dember-EMF, die bei einachsiger Verformung auftritt, die eine Anisotropie des Diffusionskoeffizienten der Ladungsträger verursacht.

Der letztgenannte Mechanismus ist bei Halbleiterverformungen mit mehreren Tälern am effektivsten und führt zu einer Umverteilung der Ladungsträger zwischen den Tälern.

Wir haben uns alle photovoltaischen Effekte des ersten Typs angesehen, dann werden wir uns die Effekte ansehen, die dem zweiten Typ zugeschrieben werden.

Der Effekt der Elektronenanziehung durch Photonen

Dieser Effekt hängt mit der Asymmetrie in der Verteilung der Photoelektronen über den von den Photonen erhaltenen Impuls zusammen. In zweidimensionalen Strukturen mit optischen Minibandübergängen wird der gleitende Photostrom hauptsächlich durch Elektronenübergänge mit einer bestimmten Impulsrichtung verursacht und kann den entsprechenden Strom in Volumenkristallen deutlich übersteigen.

Linearer photovoltaischer Effekt

Dieser Effekt ist auf die asymmetrische Verteilung der Photoelektronen in der Probe zurückzuführen. Hier wird die Asymmetrie durch zwei Mechanismen gebildet, von denen der erste ballistischer Natur ist und mit der Richtung des Impulses während der Quantenübergänge zusammenhängt, und der zweite eine Scherung ist, die auf der Verschiebung des Schwerpunkts des Wellenpakets von Elektronen währenddessen beruht die Quantenübergänge.

Der lineare photovoltaische Effekt hängt nicht mit der Impulsübertragung von Photonen auf Elektronen zusammen und ändert sich daher bei einer festen linearen Polarisation nicht, wenn die Richtung der Lichtausbreitung umgekehrt wird. Die Prozesse der Lichtabsorption, -streuung und -rekombination tragen dazu bei Strom (diese Beiträge werden im thermischen Gleichgewicht kompensiert).

Dieser auf Dielektrika angewendete Effekt ermöglicht die Anwendung des Mechanismus des optischen Gedächtnisses, da er zu einer Änderung des Brechungsindex führt, die von der Intensität des Lichts abhängt und auch nach dem Ausschalten anhält.

Kreisförmiger Photovoltaikeffekt

Der Effekt tritt auf, wenn es mit elliptisch oder zirkular polarisiertem Licht aus gyrotropen Kristallen beleuchtet wird. Die EMF kehrt das Vorzeichen um, wenn sich die Polarisation ändert. Der Grund für den Effekt liegt in der Beziehung zwischen Spin und Elektronenimpuls, die gyrotropen Kristallen innewohnt. Wenn Elektronen durch zirkular polarisiertes Licht angeregt werden, werden ihre Spins optisch ausgerichtet und dementsprechend entsteht ein gerichteter Stromimpuls.

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Das Vorhandensein des gegenteiligen Effekts drückt sich im Auftreten optischer Aktivität unter Einwirkung eines Stroms aus: Der übertragene Strom bewirkt die Ausrichtung der Spins in gyrotropen Kristallen.

Die letzten drei Effekte dienen in Trägheitsempfängern. Laserstrahlung.

Photovoltaischer Oberflächeneffekt

Der oberflächenphotovoltaische Effekt tritt auf, wenn Licht durch freie Ladungsträger in Metallen und Halbleitern aufgrund der Impulsübertragung von Photonen auf Elektronen bei schrägem Lichteinfall und auch bei senkrechtem Einfall reflektiert oder absorbiert wird, wenn die Normale zur Oberfläche des Kristalls unterschiedlich ist Richtung von einer der Hauptkristallachsen.

Der Effekt besteht in der Streuung lichtangeregter Ladungsträger an der Probenoberfläche. Bei der Interbandabsorption tritt sie unter der Bedingung auf, dass ein erheblicher Teil der angeregten Ladungsträger ohne Streuung die Oberfläche erreicht.

Wenn die Elektronen also von der Oberfläche reflektiert werden, entsteht ein ballistischer Strom, der senkrecht zur Oberfläche gerichtet ist. Ordnen sich die Elektronen bei Anregung träge an, kann ein entlang der Oberfläche gerichteter Strom entstehen.

Die Bedingung für das Auftreten dieses Effekts ist der Unterschied im Vorzeichen der von Null verschiedenen Komponenten der Durchschnittswerte des Impulses „zur Oberfläche hin“ und „von der Oberfläche“ für Elektronen, die sich entlang der Oberfläche bewegen. Die Bedingung ist beispielsweise in kubischen Kristallen erfüllt, wenn Ladungsträger vom entarteten Valenzband in das Leitungsband angeregt werden.

Bei der diffusen Streuung an einer Oberfläche verlieren Elektronen, die sie erreichen, die Impulskomponente entlang der Oberfläche, während Elektronen, die sich von der Oberfläche entfernen, diese behalten. Dies führt zum Auftreten einer Strömung an der Oberfläche.