«Фотоэдс»

электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике (См. Полупроводники) при поглощении в нём 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 магнитном полях из-за неравномерной генерации, неоднородности кристалла, воздействия внешнего магнитного поля, одноосного сжатия и др.

Объёмная Ф. в однородном полупроводнике, обусловленная неодинаковой генерацией в нём фотоносителей, называется диффузионной, или фотоэдс Дембера. При неравномерном освещении полупроводника или облучении его сильно поглощающимся (и быстро затухающим в глубине кристалла) излучением концентрация фотоносителей велика вблизи облучаемой грани и мала или равна нулю в затемнённых участках. Фотоносители диффундируют от облучаемой грани в область, где их концентрация меньше, и если подвижности электронов проводимости и дырок неодинаковы, в объёме полупроводника возникает пространственный заряд, а между освещенным и затемнённым 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, μ_э и μ_д – подвижности электронов и дырок, σ₁ и σ₂–электропроводность в точках 1 и 2. Фотоэдс 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 создаёт фотоэдс Дембера, так как в этом случае эдс в объёме компенсируется равной ей по величине и противоположной по знаку эдс, образующейся на контакте полупроводника с электродом. Фотоэдс Дембера в обычных полупроводниках мала и практического применения не имеет.

Вентильная (барьерная) Ф. возникает в неоднородных по химическому 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 (См. Химический потенциал) 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 (См. Электронно-дырочный переход) или полупроводниковом гетеропереходе (См. Полупроводниковый гетеропереход). Она используется в фотоэлектронных приборах (фотовольтаических элементах, солнечных элементах). По величине вентильной Ф. также обнаруживают слабые неоднородности в полупроводниковых материалах (См. Полупроводниковые материалы).

Ф. может возникать также в однородном полупроводнике при одновременном одноосном сжатии и освещении (фотопьезоэлектрический эффект). Она появляется на гранях, перпендикулярных направлению сжатия, её величина и знак зависят от направления сжатия и освещения относительно кристаллографических осей. Ф. пропорциональна давлению и интенсивности излучения. В этом случае Ф. обусловлена анизотропией коэффициентом диффузии фотоносителей, вызванной одноосной деформацией кристалла. При неоднородном сжатии и одновременном освещении полупроводника Ф. может быть обусловлена неодинаковым в разных частях кристалла изменением ширины запрещенной зоны под действием давления (Тензорезистивный эффект).

В полупроводнике, помещенном в магнитное поле и освещенном сильно поглощающимся светом так, что градиент концентрации фотоносителей (и их диффузионный поток) возникает в направлении, перпендикулярном магнитному полю, электроны и дырки разделяются вследствие их отклонения магнитным полем в противоположных направлениях (см. Кикоина – Носкова эффект (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 InSb n-типа, охлажденном до температуры жидкого гелия.

При поглощении излучения свободными носителями заряда в полупроводнике вместе с энергией фотонов поглощается их импульс. В результате электроны приобретают направленное движение относительно кристаллической решётки и на гранях кристалла, перпендикулярных потоку излучения, появляется Ф. светового давления. Она мала, но вместе с тем очень мала и её инерционность (порядка 10^-11сек). Ф. светового давления используется в быстродействующих приёмниках 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.

photoelectromotive force, open-circuit voltage

ФОТОЭДС

эдс, возникающая в полупроводнике при поглощении в нём Электромаги. излучения (фотовольтаический эффект). Ф. обусловлена пространств. разделением генерируемых излучением носителей заряда. При неравномерном освещении кристалла (или облучении его сильно поглощающимся и быстро затухающим в глубине излучением) концентрация носителей заряда велика вблизи облучаемой грани и мала в затемнённых участках. Носители диффундируют от облучаемой грани и, если подвижности эл-нов проводимости и дырок неодинаковы, в объёме полупроводника возникает пространств. заряд (электрич. поле Е), а между освещённым и затемнённым участка ми — диффузионная Ф. (рис. 1). Величина этой Ф. между двумя точками 1 и 2 полупроводника определяется формулой:

?1, 2=(kT/e)((mэ-mд)/(mэ+mд))ln(s1/s2),

где е — заряд эл-на, Т — темп-ра, mэ и mд— подвижности эл-нов и дырок, s1 и s2— электропроводность в точках 1 и 2. Диффузионная Ф. при данной интенсивности освещения тем больше, чем больше разница подвижностей эл-нов и дырок и чем меньше электропроводность полупроводника в темноте. Диффузионная Ф. в полупроводниках мала и практич. применения не имеет.

Рис. 1. Возникновение диффузионной фотоэдс.

Вентильная (барьерная) Ф. возникает в неоднородных (по хим. составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник — металл. В области неоднородности существует внутреннее электрическое поле, которое ускоряет генерируемые излучением неосновные неравновесные носители. В результате фотоносители разных знаков пространственно разделяются. Вентильная Ф. может возникать под действием света, генерирующего эл-ны и дырки или хотя бы только неосновные носители. Особенно важна вентильная Ф., возникающая в р — n-переходе и гетеропереходе. Она используется в фотовольтаических и солнечных элементах, по её величине обнаруживают слабые неоднородности в полупроводниковых материалах.

Ф. может возникать также в однородном полупроводнике при одновременном одноосном его сжатии и освещении (фотопьезоэлектрический эффект). Она появляется на гранях, перпендикулярных направлению сжатия, её величина и знак зависят от направления сжатия и освещения относительно кристаллографич. осей. Эта Ф. пропорц. давлению и интенсивности излучения. В этом случае возникновение Ф. связано с анизотропией коэфф. диффузии фотоносителей, вызванной одноосной деформацией кристалла, а также неодинаковым в разных частях кристалла изменением ширины запрещённой зоны под действием давления (тензорезистивный эффект).

Ф. возникает также в освещённом полупроводнике, помещённом в магн. поле H так, что градиент концентрации носителей (и их диффузионные потоки Iд и Iэ) возникает в направлении, перпендикулярном Н ((см. КИКОИНА — НОСКОВА ЭФФЕКТ), рис. 2).

Рис. 2. Фотоэдс в случае эффекта Кикоина — Носкова.

Б. И. Давыдов (1937) установил, что Ф. может возникать и при генерации только осн. носителей (или при поглощении фотонов эл-нами проводимости), если энергия фотоносителей заметно отличается от энергии др. носителей. Такая Ф. возникает в чистых полупроводниках с высокой подвижностью эл-нов при очень низких темп-рах и обусловлена зависимостью подвижности и коэфф. диффузии эл-нов от их энергии. Ф. этого типа имеет заметную величину в InSb n-типа, охлаждённом до темп-ры жидкого гелия.

При поглощении излучения свободными носителями заряда в полупроводнике вместе с энергией фотонов поглощается их импульс. В результате фотоэлектроны приобретают направленное движение относительно кристаллич. решётки и на гранях кристалла, перпендикулярных потоку излучения, появляется Ф. светового давления. Она мала, но мала и её инерционность (=10-11c). Ф. светового давления используется в быстродействующих приёмниках излучений, предназначенных для измерения мощности и формы импульсов излучения лазеров.

см. Фотоэффект вентильный.

ФОТОЭДС — электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике на электронно-дырочном переходе при поглощении в нём электромагнитного излучения.