Оптические и фотоэлектрические явления в полупроводниках, страница 13

Фотовольтаические эффекты полупроводниках. Фото ЭДС. Эффект Дембера.

Рассмотрим, что произойдёт при освещении полупроводника в случае сильного поглощения света (все фотоны поглощаются вблизи поверхности, рождая электрон-дырочные пары). Так как концентрация электронов и дырок вблизи поверхности больше, возникнет их диффузионный поток вглубь, до тех пор, пока не установится электрическое поле, и диффузионный ток не уравняется полевым. Так как подвижность дырок обычно много меньше чем у электронов, то и их коэффициент диффузии много меньше (вспомните соотношение Эйнштейна). Рассмотрим крайний случай, когда дырки вообще неподвижны. Тогда электроны, которые продиффундировали вглубь, создают поле, препятствующее движению вглубь других электронов. Качественно энергетическая диаграмма для такой ситуации представлена на рисунке 7.9.

Рисунок 7.9. Иллюстрация эффекта Дембера (m_e>>m_h).

Попробуйте самостоятельно ответить на вопрос, куда исчезают рождающиеся возле поверхности дырки? Ведь их концентрация, согласно диаграмме, даже меньше «темновой» концентрации. Эффект возникновения поля (ЭДС) при неравновесном освещении полупроводника называется эффектом Дембера, точное выражение для ЭДС Дембера приведено ниже.

                                                  7.33

Фотодиод, лавинный фотодиод, солнечные фотоэлементы.

Если освещать участок полупроводника в котором существует встроенное поле (например в области p-n перехода, то рождённые светом электроны и дырки (вследствие их разного заряда) разделяются полем. Тогда, если схема замкнута, возникает фототок, а если разомкнута – фото ЭДС. Такой приёмник света называют фотодиодом. Если к p-n переходу приложить сильное обратное смещение, фотоэлектроны и фотодырки ускоряются так сильно, что способны сами возбудить свободные носители заряда – и тогда идёт лавинообразное усиление фототока. Такое устройство называют лавинным фотодиодом. Чувствительность современных лавинных фотодиодов такова, что позволяет регистрировать отдельные фотоны. К более подробному описанию этих устройств мы вернёмся в теме, касающейся контактных явлений и p-n переходов.

Каждую секунду Земля получает от Солнца примерно 3·10¹⁷ Дж энергии [1.4]. Все действующие электростанции мира вырабатывают менее одной сотой процента от этого количества. На фотосинтез всех растений мира расходуется порядка одного процента от этого количества. Поэтому очень важно разработать эффективные преобразователи солнечной энергии в электрическую. И здесь эффективны и перспективны полупроводниковые солнечные элементы. Это A2B6 или A3B5 варизонные (с переменной шириной запрещённой зоны) либо кремниевые (что много дешевле) полупроводниковые гетероструктуры с несколькими p-n переходами. Их КПД достигает 30%, правда стоимость одного киловатт-часа солнечной энергии пока ещё в несколько раз выше, чем киловатт-часа, получаемого при сжигании топлива.

Задание.

1) Построить график реальной и мнимой части диэлектрической проницаемости диэлектрика (модель связанных зарядов, известны плазменная частота, собственная частота, время затухания: ). Качественно построить зависимость коэффициента поглощения от частоты фотона, найти коэффициент поглощения при .

2) Найти значение волнового числа электрона (и тяжёлой дырки), рождённых в GaAs фотоном с энергией 2 эВ. Эффективные массы для электрона и тяжёлой дырки – 0.067 и 0.5 соответственно, ширина запрещённой зоны при комнатной температуре 1.43 эВ.

3) Эффективная масса электронов в InAs составляет 0.02, эффективная масса тяжёлых дырок 0.3, ширина запрещённой зоны при комнатной температуре 0.36 эВ. Найти значение края поглощения при концентрации электронов 10¹⁹ см^-3 (эффект Бурштейна-Мосса).