Фотонапонски ефекат и његове врсте

Први пут је такозвани фотонапонски (или фотонапонски) ефекат приметио 1839. године француски физичар Александар Едмон Бекерел.

Експериментишући у лабораторији свог оца, открио је да осветљавањем платинастих плоча потопљених у електролитички раствор, галванометар повезан са плочама указује на присуство електромоторна сила… Убрзо је деветнаестогодишњи Едмунд пронашао корисну примену за своје откриће — направио је актинограф — уређај за бележење интензитета упадне светлости.

Данас фотонапонски ефекти обухватају читаву групу појава, на овај или онај начин, везаних за појаву електричне струје у затвореном колу, што укључује осветљени полупроводник или узорак диелектрика, или феномен ЕМФ на осветљеном узорку, ако спољни круг је отворен. У овом случају разликују се две врсте фотонапонских ефеката.

У прву врсту фотонапонских ефеката спадају: високоелектрични фото-ЕМФ, запремински фото-ЕМФ, вентилски фото-ЕМФ, као и фотоепизоелектрични ефекат и Демберов ефекат.

Фотонапонски ефекти другог типа обухватају: ефекат увлачења електрона фотонима, као и површинске, кружне и линеарне фотонапонске ефекте.

Ефекти првог и другог типа

Фотонапонски ефекти првог типа су узроковани процесом у коме светлосни ефекат генерише покретне електричне носиоце наелектрисања од два карактера — електрона и рупа, што доводи до њиховог раздвајања у простору узорка.

Могућност раздвајања је у овом случају повезана или са нехомогеношћу узорка (његова површина се може сматрати нехомогеношћу узорка) или са нехомогеношћу осветљења када се светлост апсорбује близу површине или када се само део површина узорка је осветљена, па ЕМФ настаје услед повећања брзине топлотног кретања електрона под утицајем светлости која пада на њих.

Фотонапонски ефекти другог типа повезани су са асиметријом елементарних процеса побуђивања носилаца наелектрисања светлошћу, асиметријом њиховог расејања и рекомбинације.

Ефекти овог типа се јављају без додатног формирања парова супротних носилаца наелектрисања, узроковани су међупојасним прелазима или се могу довести у везу са побуђивањем носача наелектрисања примесама, осим тога, могу бити узроковани апсорпцијом светлосне енергије од стране бесплатни носиоци наплате.

Даље, погледајмо механизме фотонапонских ефеката. Прво ћемо погледати фотонапонске ефекте првог типа, а затим скренути пажњу на ефекте другог типа.

Дебљи ефекат

Дембер ефекат се може јавити под равномерним осветљењем узорка, једноставно због разлике у стопама површинске рекомбинације на његовим супротним странама. Код неравномерног осветљења узорка Демберов ефекат је узрокован разликом коефицијената дифузије (разлика у покретљивости) електрона и рупа.

Демберов ефекат, покренут импулсним осветљењем, користи се за генерисање зрачења у терахерцном опсегу. Демберов ефекат је најизраженији код полупроводника са високом покретљивошћу електрона и са уским размаком као што су ИнСб и ИнАс.[баннер_адсенсе]

Баријера фото-ЕМФ

Фото-ЕМФ капије или баријере је резултат раздвајања електрона и рупа електричним пољем од Шоткијеве баријере у случају контакта метал-полупроводник, као и поље п-н-спој или хетероспој.

Струја се овде формира кретањем оба носиоца наелектрисања директно генерисаних у области пн-споја, и оних носилаца који се побуђују у областима близу електроде и дифузијом доспевају у област јаког поља.

Раздвајање парова промовише формирање тока рупа у п региону и протока електрона у н региону. Ако је коло отворено, онда ЕМФ делује у директном правцу за п-н спој, тако да његово деловање компензује првобитни феномен.

Овај ефекат је основа функционисања соларне ћелије и високоосетљиви детектори зрачења са малим одзивом.

Волуметријска фото-ЕМФ

Булк фото-ЕМФ, као што му име сугерише, настаје као резултат раздвајања парова носилаца наелектрисања у маси узорка на нехомогеностима које су повезане са променом концентрације допанта или са променом хемијског састава (ако полупроводник је сложен).

Овде је разлог раздвајања парова тзв Противелектрично поље створено променом положаја Фермијевог нивоа, који заузврат зависи од концентрације нечистоћа. Или, ако говоримо о полупроводнику са сложеним хемијским саставом, цепање парова је резултат промене ширине појаса.

Феномен појаве масовних фотоелектрика је применљив на сондирање полупроводника за одређивање степена њихове хомогености. Отпор узорка је такође повезан са нехомогеностима.

Висок напон фото-ЕМФ

Абнормална (високонапонска) фото-ЕМФ настаје када неуједначено осветљење изазива електрично поље усмерено дуж површине узорка. Величина резултирајућег ЕМФ-а биће пропорционална дужини осветљене површине и може достићи 1000 волти или више.

Механизам може бити узрокован или Демберовим ефектом, ако дифузна струја има површински усмерену компоненту, или формирањем п-н-п-н-п структуре која се пројектује на површину. Резултујућа високонапонска ЕМФ је укупна ЕМФ сваког пара асиметричних н-п и п-н спојева.

Фотоепизоелектрични ефекат

Фотоепизоелектрични ефекат је појава појаве фотострује или фотоемф током деформације узорка. Један од његових механизама је појава масовне ЕМФ током нехомогене деформације, што доводи до промене параметара полупроводника.

Други механизам за појаву фотоепизоелектричног ЕМФ-а је попречна Демберова ЕМФ, која се јавља при једноосној деформацији, што узрокује анизотропију коефицијента дифузије носилаца наелектрисања.

Последњи механизам је најефикаснији код деформација полупроводника са више долина, што доводи до прерасподеле носилаца између долина.

Погледали смо све фотонапонске ефекте првог типа, затим ћемо погледати ефекте који се приписују другом типу.

Ефекат привлачења електрона фотонима

Овај ефекат је повезан са асиметријом у дистрибуцији фотоелектрона преко импулса добијеног од фотона. У дводимензионалним структурама са оптичким минипојасним прелазима, клизна фотоструја је углавном узрокована прелазима електрона са одређеним смером импулса и може значајно да премаши одговарајућу струју у расутим кристалима.

Линеарни фотонапонски ефекат

Овај ефекат је последица асиметричне дистрибуције фотоелектрона у узорку. Овде асиметрију формирају два механизма, од којих је први балистички, везан за усмереност импулса током квантних прелаза, а други је смичући, услед померања центра гравитације таласног пакета електрона током квантне прелазе.

Линеарни фотонапонски ефекат није везан за пренос импулса са фотона на електроне, па се, са фиксном линеарном поларизацијом, не мења када је смер простирања светлости обрнут.Процеси апсорпције и расејања светлости и рекомбинације доприносе струја (ови доприноси се компензују у топлотној равнотежи).

Овај ефекат, примењен на диелектрике, омогућава примену механизма оптичке меморије, јер доводи до промене индекса преламања, који зависи од интензитета светлости, а наставља се и након што се она искључи.

Кружни фотонапонски ефекат

Ефекат се јавља када се осветли елиптично или кружно поларизованом светлошћу из жиротропних кристала. ЕМФ мења знак када се поларизација промени. Разлог за ефекат лежи у односу између спина и импулса електрона, који је својствен жиротропним кристалима. Када су електрони побуђени кружно поларизованом светлошћу, њихови спинови су оптички оријентисани, и сходно томе се јавља усмерени струјни импулс.

?

Присуство супротног ефекта изражава се у појави оптичке активности под дејством струје: пренета струја изазива оријентацију спинова у жиротропним кристалима.

Последња три ефекта служе у инерцијалним пријемницима. ласерско зрачење.

Површински фотонапонски ефекат

Површински фотонапонски ефекат настаје када се светлост рефлектује или апсорбује слободним носиоцима наелектрисања у металима и полупроводницима због преноса импулса са фотона на електроне током косог упада светлости, а такође и током нормалног упада ако се нормала на површину кристала разликује у смер од једне од главних кристалних оса.

Ефекат се састоји у феномену расејања светлошћу побуђених носилаца наелектрисања на површини узорка. У случају међупојасне апсорпције, она се јавља под условом да значајан део побуђених носилаца доспе на површину без расејања.

Дакле, када се електрони рефлектују од површине, формира се балистичка струја, усмерена окомито на површину. Ако се при побуђивању електрони распореде по инерцији, може се појавити струја усмерена дуж површине.

Услов за настанак овог ефекта је разлика у предзнаку ненулте компоненте просечних вредности импулса "према површини" и "са површине" за електроне који се крећу дуж површине. Услов је испуњен, на пример, у кубичним кристалима, при побуђивању носилаца наелектрисања из дегенерисаног валентног појаса у проводни појас.

У дифузном расејању на површини, електрони који дођу до ње губе компоненту импулса дуж површине, док је електрони који се удаљавају од површине задржавају. То доводи до појаве струје на површини.