Фотоэдс

Фотоэдс (далее Ф) электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике при поглощении в нем электромагнитного излучения (фотонов). Появление Ф (фотовольтаический эффект) обусловлено пространственным разделением генерируемых излучением носителей заряда (фотоносителей). Разделение фотоносителей происходит в процессе их диффузии и дрейфа в электрическом и полях из-за неравномерной генерации, неоднородности воздействия внешнего поля, одноосного сжатия и др.   Объемная Ф в однородном полупроводнике, обусловленная неодинаковой генерацией в нем фотоносителей, называется диффузионной, или фотоэдс Дембера. При неравномерном освещении полупроводника или облучении его сильно поглощающимся (и быстро затухающим в глубине излучением концентрация фотоносителей велика вблизи облучаемой грани и мала или равна нулю в затемненных участках. Фотоносители диффундируют от облучаемой грани в область, где их концентрация меньше, и если подвижности электронов проводимости и дырок неодинаковы, в объеме полупроводника возникает пространственный заряд, а между освещенным и затемненным участками – фотоэдс Дембера. Величина этой Ф между двумя точками полупроводника 1 и 2 может быть вычислена по формуле: , где k – Больцмана постоянная, е – заряд электрона, Т – температура, mэ и mд – подвижности электронов и дырок, s1 и s2 – электропроводность в точках 1 и 2. Ф Дембера при данной интенсивности освещения тем больше, чем больше разность подвижностей электронов и дырок и чем меньше электропроводность полупроводника в темноте. Излучение, генерирующее в полупроводнике только основные носители заряда, не создает фотоэдс Дембера, так как в этом случае эдс в объеме компенсируется равной ей по величине и противоположной по знаку эдс, образующейся на контакте полупроводника с электродом. Ф Дембера в обычных полупроводниках мала и практического применения не имеет.   Вентильная (барьерная) Ф возникает в неоднородных по составу или неоднородно легированных примесями полупроводниках, а также на контакте полупроводника с металлом. В области неоднородности в полупроводнике существует внутреннее электрическое поле, которое ускоряет генерируемые излучением неосновные и замедляет основные неравновесные носители заряда. В результате фотоносители разных знаков пространственно разделяются. Разделение электронов и дырок внутренним полем эффективно, когда неоднородность не слишком плавная, так что на длине порядка диффузионной длины неосновных носителей заряда разность химических потенциалов превышает kT/e (при комнатной температуре kT/e = 0,025 эв). Вентильная Ф может возникать в полупроводнике под действием света, генерирующего и электроны, и дырки или хотя бы только неосновные носители. Для практических применений особенно важна вентильная Ф, возникающая в электронно-дырочном переходе или полупроводниковом гетеропереходе. Она используется в фотоэлектронных приборах (фотовольтаических элементах, солнечных элементах). По величине вентильной Ф также обнаруживают слабые неоднородности в полупроводниковых материалах.   Ф может возникать также в однородном полупроводнике при одновременном одноосном сжатии и освещении (фотопьезоэлектрический эффект). Она появляется на гранях, перпендикулярных направлению сжатия, ее величина и знак зависят от направления сжатия и освещения относительно осей. Ф пропорциональна давлению и интенсивности излучения. В этом случае Ф обусловлена анизотропией коэффициентом диффузии фотоносителей, вызванной одноосной деформацией При неоднородном сжатии и одновременном освещении полупроводника Ф может быть обусловлена неодинаковым в разных частях изменением ширины запрещенной зоны под действием давления (тензорезистивный эффект).   В полупроводнике, помещенном в поле и освещенном сильно поглощающимся светом так, что градиент концентрации фотоносителей (и их диффузионный поток) возникает в направлении, перпендикулярном полю, электроны и дырки разделяются вследствие их отклонения полем в противоположных направлениях (см. Кикоина – Носкова эффект).   Сов. физик Б. И. Давыдов (1937) установил, что Ф может возникать и при генерации только основных носителей заряда (или при поглощении электронами проводимости излучения), если энергия фотоносителей заметно отличается от энергии др. носителей заряда. Обычно такая Ф возникает в чистых полупроводниках с высокой подвижностью электронов при очень низких температурах. Ф в этом случае обусловлена зависимостью подвижности и коэффициента диффузии электронов от их энергии. Ф этого типа имеет заметную величину в n-типа, охлажденном до температуры жидкого   При поглощении излучения свободными носителями заряда в полупроводнике вместе с энергией фотонов поглощается их импульс. В результате электроны приобретают направленное движение относительно решетки и на гранях перпендикулярных потоку излучения, появляется Ф светового давления. Она мала, но вместе с тем очень мала и ее инерционность (порядка 10-11сек). Ф светового давления используется в быстродействующих приемниках излучений, предназначенных для измерения мощности и формы импульсов излучения лазеров.     Лит.: Рыбкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Тауц Ян, Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках, пер. с чеш., М., 1962; Фотопроводимость. Сб. ст., М., 1967.   Т. М. Лифшиц.