Принцип действия фотоэлемента с запирающим слоем

В настоящей установке используется вентильный режим работы фотоэлемента, т. е. без внешнего источника напряже­ния. Образованные под действием света в области запорного слоя полупроводника электронно-дырочные пары (явление внутреннего фотоэффекта) разделяются электрическим полем этого слоя таким образом, что электроны переходят в металл, а дырки остаются в полупроводнике (рис. 2). Поэтому полу­проводник заряжается положительно относительно металла, что эквивалентно образованию дополнительного напряжения, включенного в прямом направлении. Это напряжение назы­вается фотоэдс. В работе измеряется фототок в цепи, нагру­зочным сопротивлением которой служит сопротивление галь­ванометра. Поскольку оно мало, то этот ток можно считать током короткого замыкания фотоэлемента.

При внутреннем фотоэффекте в полупроводниках происхо­дит поглощение фотона с энергией, достаточной для перехо­да электрона из валентной зоны в свободную зону, что при­водит к образованию пары электрон-дырка. Число электронно-дырочных пар, генерируемых в единичном объеме по­лупроводника за одну секунду фотонами с энергией  по определению есть скорость генерации G. Получим выражение для скорости генерации.

Известно, что интенсивность монохроматического света I на глубине х связана с интенсивностью на поверхности по­лупроводника I  соотношением

 

,    (2)

 

где  —линейный показатель поглощения света, не зависящий от интенсивности света (при невысоких интенсивностях). Количество световой энергии, поглощаемой за 1 с в слое единичной пло­щади толщиной dx определится как

 

.   (3)

 

Энергия, поглощаемая в единичном объеме за 1 с тогда равна

 

. (4)

 

Число поглощенных квантов в единичном объеме за 1 с опре­делится отношением

Число  электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света, называется квантовым выходом. Тогда скорость генерации G на расстоянии х от поверхности полупроводника может быть выражена как

 

.  (5)

 

Здесь было предположено, что отражения от поверхности по­лупроводника нет.

Из этого выражения видно, что G существенно зависит от , а поскольку  зависит от энергии квантов падающего излучения, то скорость генерации различна для разных длин волн последнего.

При собственном поглощении света (рис. 3 1, 2) полупроводником показатель поглощения  велик, и мы можем при­нять, что вся световая энергия поглощается в области запи­рающего слоя x . Минимальная энергия фотонов, при кото­рой начинается собственное поглощение в полупроводниках, определяется минимальным энергетическим зазором между валентной и свободной зоной, т. е. шириной запрещенной зоны. Форма края кривой собственного поглощения зависит от вероятности переходов и плотности начальных и конечных электронных состояний. Длинноволновый край собственного поглощения неметаллических кристаллов из-за наличия экситонного поглощения и возможных непрямых переходов обыч­но “размыт”, поэтому для оценки ширины запрещенной зоны часто используют значение энергии кванта света, полученное путем экстраполяции спектральной характеристики коэффи­циента поглощения в область малых энергий фотона.

Естественно, что по мере роста энергии фотона при его поглощении вероятность перехода электрона из валентной зоны в свободную должна возрастать, что ведет к увеличе­нию фототока. Однако, при возрастании энергии фотона (уменьшении длины волны) поглощение света происходит во все более тонком приповерхностном слое полупроводника, где велики концентрация электронов и плотность поверхност­ных центров рекомбинации. Первая снижает вероятность об­разования пары электрон-дырка, вторая усиливает процессы поверхностной рекомбинации носителей заряда. То и другое приводят к “завалу” спектральной характеристики тока фото­проводимости в области больших энергий фотона.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: