Fotoelementu efekts un tā veidi

Pirmo reizi tā saukto fotoelektrisko (jeb fotoelektrisko) efektu 1839. gadā novēroja franču fiziķis Aleksandrs Edmonds Bekerels.

Eksperimentējot sava tēva laboratorijā, viņš atklāja, ka, apgaismojot elektrolītiskā šķīdumā iegremdētas platīna plāksnes, ar plāksnēm savienotais galvanometrs liecināja par elektromotora spēks… Drīz vien deviņpadsmitgadīgais Edmunds atrada savam atklājumam noderīgu pielietojumu — viņš izveidoja aktinogrāfu — ierīci krītošās gaismas intensitātes reģistrēšanai.

Mūsdienās fotoelektriskie efekti ietver veselu parādību grupu vienā vai otrā veidā, kas saistītas ar elektriskās strāvas parādīšanos slēgtā ķēdē, kas ietver apgaismotu pusvadītāju vai dielektrisku paraugu, vai EML fenomenu uz apgaismota parauga, ja ārējā ķēde ir atvērta. Šajā gadījumā izšķir divu veidu fotoelektriskos efektus.

Pirmā veida fotoelektriskie efekti ietver: augstas elektriskās foto-EMF, apjoma foto-EMF, vārstu foto-EMF, kā arī fotoepizoelektrisko efektu un Dembera efektu.

Otrā tipa fotoelektriskie efekti ietver: elektronu piesaistes efektu ar fotoniem, kā arī virsmas, apļveida un lineārus fotoelektriskos efektus.

Pirmā un otrā veida ietekme

Pirmā tipa fotoelektriskos efektus izraisa process, kurā gaismas efekts ģenerē mobilos divu rakstzīmju elektrisko lādiņu nesējus — elektronus un caurumus, kas noved pie to atdalīšanas parauga telpā.

Atdalīšanas iespēja šajā gadījumā ir saistīta vai nu ar parauga neviendabīgumu (tā virsmu var uzskatīt par parauga neviendabīgumu), vai arī ar apgaismojuma neviendabīgumu, kad gaisma tiek absorbēta tuvu virsmai vai kad tikai daļa no parauga parauga virsma ir izgaismota, tāpēc EML rodas, palielinoties elektronu termiskās kustības ātrumam uz tiem krītošas ​​gaismas ietekmē.

Otrā tipa fotoelektriskie efekti ir saistīti ar lādiņnesēju gaismas ierosmes elementāro procesu asimetriju, to izkliedes un rekombinācijas asimetriju.

Šāda veida efekti parādās bez papildu pretēju lādiņnesēju pāru veidošanās, tos izraisa starpjoslu pārejas vai var būt saistīti ar lādiņnesēju ierosmi ar piemaisījumiem, turklāt tos var izraisīt gaismas enerģijas absorbcija no lādiņa nesējiem. bezmaksas maksas nesēji.

Tālāk apskatīsim fotoelektrisko efektu mehānismus. Vispirms apskatīsim pirmā tipa fotoelektriskos efektus, pēc tam pievērsīsim uzmanību otrā tipa efektiem.

Biezāks efekts

Dembera efekts var rasties vienmērīgā parauga apgaismojumā vienkārši virsmas rekombinācijas ātruma atšķirību dēļ tā pretējās pusēs. Ar nevienmērīgu parauga apgaismojumu Dembera efektu izraisa elektronu un caurumu difūzijas koeficientu atšķirība (kustīguma atšķirība).

Dembera efekts, ko ierosina impulsa apgaismojums, tiek izmantots, lai radītu starojumu terahercu diapazonā. Dembera efekts ir visizteiktākais augstas elektronu mobilitātes šauras spraugas pusvadītājos, piemēram, InSb un InAs.[banner_adsense]

Barjeras foto-EMF

Vārtu vai barjeras foto-EMF rodas elektronu un caurumu atdalīšanas rezultātā ar elektrisko lauku no Šotki barjeras metāla-pusvadītāja kontakta gadījumā, kā arī lauks p-n-krustojums vai heterojunkcija.

Strāvu šeit veido kustība gan pn-pārejas apgabalā tieši radītajiem lādiņnesējiem, gan tiem nesējiem, kas tiek ierosināti elektrodam tuvajos apgabalos un difūzijas ceļā sasniedz spēcīgā lauka apgabalu.

Pāru atdalīšana veicina caurumu plūsmas veidošanos p reģionā un elektronu plūsmas veidošanos n reģionā. Ja ķēde ir atvērta, tad EMF darbojas tiešā virzienā uz p-n krustojumu, tāpēc tā darbība kompensē sākotnējo parādību.

Šis efekts ir funkcionēšanas pamats saules baterijas un ļoti jutīgi starojuma detektori ar zemu reakciju.

Tilpuma foto-EMF

Lielapjoma foto-EMF, kā norāda tā nosaukums, rodas lādiņnesēju pāru atdalīšanas rezultātā parauga lielākajā daļā nehomogenitātes dēļ, kas saistīts ar dopanta koncentrācijas izmaiņām vai ķīmiskā sastāva izmaiņām (ja pusvadītājs ir salikts).

Šeit pāru atdalīšanas iemesls ir t.s Pretelektriskais lauks, ko rada Fermi līmeņa stāvokļa izmaiņas, kas savukārt ir atkarīgas no piemaisījumu koncentrācijas. Vai arī, ja mēs runājam par pusvadītāju ar sarežģītu ķīmisko sastāvu, pāru sadalīšanās rodas joslas platuma izmaiņu rezultātā.

Lielapjoma fotoelektrisko elementu parādīšanās ir piemērojama pusvadītāju zondēšanai, lai noteiktu to viendabīguma pakāpi. Parauga pretestība ir saistīta arī ar neviendabīgumu.

Augstsprieguma foto-EMF

Nenormāls (augstsprieguma) foto-EMF rodas, ja nevienmērīgs apgaismojums izraisa elektrisko lauku, kas vērsts gar parauga virsmu. Iegūtā EML lielums būs proporcionāls apgaismotās zonas garumam un var sasniegt 1000 voltus vai vairāk.

Mehānismu var izraisīt vai nu Dembera efekts, ja izkliedētajai strāvai ir uz virsmu vērsta sastāvdaļa, vai p-n-p-n-p struktūras veidošanās, kas izvirzīta uz virsmu. Iegūtais augstsprieguma EMF ir katra asimetrisko n-p un p-n savienojumu pāra kopējais EML.

Fotoepizoelektrisks efekts

Fotoepizoelektriskais efekts ir fotostrāvas vai fotoemf parādīšanās parādība parauga deformācijas laikā. Viens no tā mehānismiem ir lielapjoma EML parādīšanās neviendabīgas deformācijas laikā, kas izraisa pusvadītāja parametru izmaiņas.

Vēl viens fotoepizoelektriskā EML parādīšanās mehānisms ir šķērsvirziena Dember EMF, kas rodas vienpusējas deformācijas apstākļos, kas izraisa lādiņu nesēju difūzijas koeficienta anizotropiju.

Pēdējais mehānisms ir visefektīvākais vairāku ieleju pusvadītāju deformācijās, kas izraisa nesēju pārdali starp ielejām.

Mēs esam apskatījuši visus pirmā tipa fotoelektriskos efektus, pēc tam apskatīsim efektus, kas tiek attiecināti uz otro veidu.

Elektronu pievilkšanās efekts ar fotonu palīdzību

Šis efekts ir saistīts ar asimetriju fotoelektronu sadalījumā pa impulsu, kas iegūts no fotoniem. Divdimensiju struktūrās ar optiskām minijoslas pārejām slīdošo fotostrāvu galvenokārt izraisa elektronu pārejas ar noteiktu impulsa virzienu un tā var ievērojami pārsniegt atbilstošo strāvu lielapjoma kristālos.

Lineārais fotoelektriskais efekts

Šis efekts ir saistīts ar asimetrisko fotoelektronu sadalījumu paraugā. Šeit asimetriju veido divi mehānismi, no kuriem pirmais ir ballistisks, kas saistīts ar impulsa virzienu kvantu pāreju laikā, bet otrs ir bīde, kas saistīts ar elektronu viļņu paketes smaguma centra nobīdi laikā. kvantu pārejas.

Lineārais fotogalvaniskais efekts nav saistīts ar impulsa pārnešanu no fotoniem uz elektroniem, tāpēc pie fiksētas lineārās polarizācijas tas nemainās, kad gaismas izplatīšanās virziens tiek mainīts.Gaismas absorbcijas un izkliedes un rekombinācijas procesi veicina strāva (šīs iemaksas tiek kompensētas pie termiskā līdzsvara).

Šis dielektriķiem pielietotais efekts dod iespēju pielietot optiskās atmiņas mehānismu, jo tas noved pie laušanas koeficienta izmaiņām, kas ir atkarīgas no gaismas intensitātes un turpinās arī pēc tā izslēgšanas.

Apļveida fotoelementu efekts

Efekts rodas, ja to apgaismo eliptiski vai cirkulāri polarizēta gaisma no girotropiskiem kristāliem. EMF maina zīmi, kad mainās polarizācija. Iedarbības iemesls ir saistība starp spin un elektronu impulsu, kas ir raksturīga žirotropiem kristāliem. Kad elektronus ierosina cirkulāri polarizēta gaisma, to spini ir optiski orientēti, un attiecīgi notiek virziena strāvas impulss.

?

Pretēja efekta klātbūtne izpaužas kā optiskās aktivitātes parādīšanās strāvas iedarbībā: pārraidītā strāva izraisa griešanās orientāciju žirotropiskajos kristālos.

Pēdējie trīs efekti kalpo inerciālajos uztvērējos. lāzera starojums.

Virsmas fotoelektriskais efekts

Virsmas fotoelektriskais efekts rodas, ja gaismu atstaro vai absorbē brīvie lādiņnesēji metālos un pusvadītājos, jo impulsa pārnešana no fotoniem uz elektroniem notiek slīpā gaismas krišanas laikā, kā arī normālas krišanas laikā, ja kristāla virsmas normāls atšķiras virzienā no vienas no galvenajām kristāla asīm.

Efekts sastāv no gaismas ierosinātu lādiņu nesēju izkliedes uz parauga virsmas. Starpjoslu absorbcijas gadījumā tas notiek ar nosacījumu, ka ievērojama daļa ierosināto nesēju sasniedz virsmu bez izkliedes.

Tātad, kad elektroni tiek atstaroti no virsmas, veidojas ballistiskā strāva, kas ir vērsta perpendikulāri virsmai. Ja, ierosinot, elektroni sakārtojas inercē, var parādīties strāva, kas vērsta gar virsmu.

Šī efekta rašanās nosacījums ir impulsa "virsmas virzienā" un "no virsmas" vidējo vērtību nulles komponentu zīmes atšķirība elektroniem, kas pārvietojas pa virsmu. Nosacījums ir izpildīts, piemēram, kubiskajos kristālos, ierosinot lādiņa nesējus no deģenerētās valences joslas uz vadīšanas joslu.

Difūzā izkliedē pa virsmu elektroni, kas to sasniedz, zaudē impulsa komponentu gar virsmu, bet elektroni, kas attālinās no virsmas, to saglabā. Tas noved pie strāvas parādīšanās uz virsmas.