ФОТОГАЛЬВАНИ́ЧЕСКИЙ ЭФФЕ́КТ

  • рубрика

    Рубрика: Физика

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 33. Москва, 2017, стр. 505-506

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




ФОТОГАЛЬВАНИ́ЧЕСКИЙ ЭФФЕ́КТ (фо­то­воль­таи­че­ский эф­фект), воз­ник­но­ве­ние элек­трич. то­ка (фо­то­то­ка) при ос­веще­нии об­раз­ца (по­лу­про­вод­ни­ка или ди­элек­три­ка), вклю­чён­но­го в замк­ну­тую цепь, или воз­ник­но­ве­ние эдс (фо­то­эдс) на ос­ве­щае­мом об­раз­це при ра­зомк­ну­той внеш­ней це­пи. Раз­ли­ча­ют 2 ти­па фо­то­галь­ва­нич. эф­фек­тов.

Фотогальванические эффекты 1-го типа

Воз­ни­ка­ют толь­ко при ге­не­ра­ции све­том под­виж­ных но­си­те­лей за­ря­да од­но­вре­мен­но обо­их зна­ков (элек­тро­нов и ды­рок) и обу­слов­ле­ны раз­де­ле­ни­ем этих но­си­те­лей в про­стран­ст­ве. Раз­де­ле­ние вы­зы­ва­ет­ся ли­бо не­од­но­род­но­стью об­раз­ца (роль не­од­но­род­но­сти мо­жет иг­рать по­верх­ность), ли­бо не­од­но­род­но­стью ос­ве­ще­ния (ос­ве­ще­ние час­ти об­раз­ца или по­гло­ще­ние све­та у по­верх­но­сти). По­яв­ле­ние эдс при не­од­но­род­ном ос­ве­ще­нии мо­жет быть так­же обу­слов­ле­но «на­гре­вом» элек­тро­нов све­том. К та­ким Ф. э. от­но­сят­ся эф­фект Дем­бе­ра, фо­то­пье­зо­элек­три­че­ский эф­фект, вен­тиль­ная фо­то­эдс, объ­ём­ная фо­то­эдс, вы­со­ко­вольт­ная фо­то­эдс.

Эффект Дембера

Эф­фект Дем­бе­ра воз­ни­ка­ет при не­од­но­род­ном ос­ве­ще­нии об­раз­ца из-за раз­ли­чия ко­эф. диф­фу­зии элек­тро­нов и ды­рок; мо­жет воз­ни­кать и при од­но­род­ном ос­ве­ще­нии вслед­ст­вие раз­ли­чия ско­ро­стей по­верх­но­ст­ной ре­ком­би­на­ции на про­ти­во­по­лож­ных гра­нях об­раз­ца (см. По­верх­но­ст­ные со­стоя­ния).

Вентильная (барьерная) фотоэдс

Вен­тиль­ная (барь­ер­ная) фо­то­эдс воз­ни­ка­ет в ре­зуль­та­те раз­де­ле­ния элек­тро­нов и ды­рок элек­трич. по­лем при­элек­трод­но­го Шотт­ки барь­е­ра на кон­так­те ме­талл – по­лу­про­вод­ник, по­лем р-n-пе­ре­хо­да или ге­те­ро­пе­ре­хо­да. Вклад в ток да­ют но­си­те­ли за­ря­да как ге­нерируе­мые не­по­сред­ст­вен­но в об­лас­ти р-n-пе­ре­хо­да, так и воз­бу­ж­дае­мые в при­элек­трод­ных об­лас­тях и дос­ти­гаю­щие об­лас­ти силь­но­го по­ля пу­тём диф­фу­зии. В ре­зуль­та­те раз­де­ле­ния пар об­ра­зу­ет­ся на­прав­лен­ный по­ток элек­тро­нов в n-об­ласть и ды­рок в p-об­ласть. При ра­зомк­ну­той це­пи соз­да­ёт­ся эдс в про­пу­ск­ном (пря­мом) на­прав­ле­нии р-n-пе­ре­хо­да, ком­пен­си­рую­щая этот ток. Фо­то­эле­мен­ты на р-n-пе­ре­хо­дах или ге­те­ро­пе­ре­хо­дах ис­поль­зу­ют­ся как вы­со­ко­чув­ст­вит. ма­ло­инер­ци­он­ные при­ём­ни­ки из­лу­че­ния, а так­же для пря­мо­го пре­об­ра­зо­ва­ния све­то­вой энер­гии в элек­три­че­скую (см. Сол­неч­ная ба­та­рея).

Объёмная фотоэдс

Объ­ём­ная фо­то­эдс вы­зы­ва­ет­ся раз­де­ле­ни­ем пар но­си­те­лей за­ря­да на не­од­но­род­но­стях в объ­ё­ме об­раз­ца, соз­да­вае­мых из­ме­не­ни­ем кон­цен­тра­ции ле­ги­рую­щей при­ме­си или из­ме­не­ни­ем хи­мич. со­ста­ва слож­ных по­лу­про­вод­ни­ков. При­чи­ной раз­де­ле­ния пар яв­ля­ет­ся т. н. встро­ен­ное элек­трич. по­ле. Оно соз­да­ёт­ся в ре­зуль­та­те из­ме­не­ния по­ло­же­ния фер­ми-уров­ня, за­ви­ся­ще­го от кон­цен­тра­ции при­ме­си, а в об­раз­цах с пе­ре­мен­ным хи­мич. со­ста­вом – так­же в ре­зуль­та­те из­ме­не­ния ши­ри­ны за­пре­щён­ной зо­ны.

Высоковольтная (аномальная) фотоэдс

Вы­со­ко­вольт­ная (ано­маль­ная) фо­то­эдс воз­ни­ка­ет при не­од­но­род­ном ос­ве­ще­нии и ха­рак­те­ри­зу­ет­ся тем, что элек­трич. по­ле на­прав­ле­но вдоль по­верх­но­сти об­раз­ца. Её ве­ли­чи­на про­пор­цио­наль­на дли­не ос­ве­щён­ной об­лас­ти и мо­жет пре­вы­шать 103 В. Од­ним из её ме­ха­низ­мов яв­ля­ет­ся по­пе­реч­ный эф­фект Дем­бе­ра в ус­ло­ви­ях, ко­гда диф­фу­зи­он­ный ток име­ет ком­по­нен­ту вдоль по­верх­но­сти; др. ме­ха­низм – об­ра­зо­ва­ние струк­ту­ры p-n-рn-р, вы­хо­дя­щей на по­верх­ность. Вы­со­ко­вольт­ная эдс воз­ни­ка­ет вслед­ст­вие сум­ми­ро­ва­ния эдс на ка­ж­дой па­ре не­сим­мет­рич­ных р-n- и n-p-пе­ре­хо­дов.

Фотогальванические эффекты 2-го типа

Обу­слов­ле­ны асим­мет­ри­ей эле­мен­тар­ных про­цес­сов фо­то­воз­бу­ж­де­ния но­си­те­лей за­ря­да, их рас­сея­ния и ре­ком­би­на­ции. Эти Ф. э. не тре­бу­ют об­ра­зо­ва­ния пар сво­бод­ных но­си­те­лей за­ря­да и на­блю­да­ют­ся как при меж­зон­ных пе­ре­хо­дах, так и при воз­бу­ж­де­нии но­си­те­лей с при­ме­сей, а так­же при по­гло­ще­нии све­та сво­бод­ны­ми но­си­те­ля­ми. К та­ким Ф. э. от­но­сят­ся: эф­фект ув­ле­че­ния элек­тро­нов фо­то­на­ми, ли­ней­ный, цир­ку­ляр­ный и по­верх­но­ст­ный фо­то­галь­ва­ни­че­ский эф­фект.

Линейный

Ли­ней­ный Ф. э. не свя­зан с пе­ре­да­чей им­пуль­са фо­то­на элек­тро­нам и по­это­му не ме­ня­ет­ся при из­ме­не­нии на­прав­ле­ния рас­про­стра­не­ния све­та на об­рат­ное (при фик­си­ров. ли­ней­ной по­ля­ри­за­ции). Он обу­слов­лен асим­мет­ри­ей рас­пре­де­ле­ния фо­то­элек­тро­нов, ко­то­рая соз­да­ёт­ся дву­мя ме­ха­низ­ма­ми: бал­ли­сти­че­ским, свя­зан­ным с по­яв­ле­ни­ем на­прав­лен­но­го им­пуль­са при кван­то­вых пе­ре­хо­дах, и сдви­го­вым, обу­слов­лен­ным сме­ще­ни­ем цен­тра тя­же­сти вол­но­во­го па­ке­та элек­тро­на при кван­то­вых пе­ре­хо­дах. При этом вклад в ток да­ют как про­цес­сы по­гло­ще­ния све­та, так и про­цес­сы рас­сея­ния и ре­ком­би­на­ции (в со­стоя­нии те­п­ло­во­го рав­но­ве­сия эти вкла­ды ком­пен­си­ру­ют­ся).

Циркулярный

Цир­ку­ляр­ный Ф. э. воз­ни­ка­ет в ги­ро­троп­ных кри­стал­лах при ос­ве­ще­нии цир­ку­ляр­но или эл­лип­ти­че­ски по­ля­ри­зов. све­том и ме­ня­ет знак при из­ме­не­нии зна­ка по­ля­ри­за­ции. При­чи­на это­го эф­фек­та – кор­ре­ля­ция ме­ж­ду спи­ном элек­тро­на и его им­пуль­сом в ги­ро­троп­ных кри­стал­лах. При воз­бу­ж­де­нии элек­тро­нов цир­ку­ляр­но по­ля­ри­зов. све­том, при­во­дя­щим к оп­тич. ори­ен­та­ции спи­нов, они од­но­вре­мен­но при­об­ре­та­ют и на­прав­лен­ный им­пульс. На­блю­да­ет­ся и об­рат­ный эф­фект – оп­тич. ак­тив­ность, ин­ду­ци­ро­ван­ная то­ком; она вы­зы­ва­ет­ся ори­ен­та­ци­ей спи­нов в ги­ро­троп­ных кри­стал­лах при про­пус­ка­нии то­ка.

Ли­ней­ный Ф. э., цир­ку­ляр­ный Ф. э. и эф­фект ув­ле­че­ния ис­поль­зу­ют­ся для соз­да­ния бе­зы­нер­ци­он­ных при­ём­ни­ков ин­тен­сив­но­го (ла­зер­но­го) из­лу­че­ния. В ди­элек­три­ках ли­ней­ный Ф. э. яв­ля­ет­ся осн. ме­ха­низ­мом оп­тич. па­мя­ти, т. к. он при­во­дит к из­ме­не­нию по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния, со­хра­няю­ще­му­ся по­сле вы­клю­че­ния све­та и за­ви­ся­ще­му от его ин­тен­сив­но­сти.

Поверхностный

По­верх­но­ст­ный Ф. э. обу­слов­лен рас­сея­ни­ем воз­бу­ж­дае­мых све­том но­си­те­лей за­ря­да на по­верх­но­сти. При меж­зон­ном по­гло­ще­нии воз­ни­ка­ет в ус­ло­ви­ях, ко­гда зна­чит. часть воз­бу­ж­дае­мых но­си­те­лей мо­жет дос­тичь её без рас­сея­ния. В этом слу­чае в ре­зуль­та­те от­ра­же­ния элек­тро­нов от по­верх­но­сти воз­ни­ка­ет бал­ли­стич. ток, пер­пен­ди­ку­ляр­ный к по­верх­но­сти. В слу­ча­ях ко­гда при воз­бу­ж­де­нии но­си­те­лей про­ис­хо­дит их вы­страи­ва­ние по им­пуль­су, мо­жет поя­вить­ся и ток, те­ку­щий вдоль по­верх­но­сти. Для это­го не­об­хо­ди­мо, что­бы ср. зна­че­ния ком­по­нен­ты им­пуль­са вдоль по­верх­но­сти для элек­тро­нов, дви­гаю­щих­ся к по­верх­но­сти и от неё, не рав­ня­лись ну­лю и от­ли­ча­лись зна­ком. Та­кое рас­пре­де­ле­ние воз­ни­ка­ет, напр., при воз­бу­ж­де­нии но­си­те­лей за­ря­да из вы­ро­ж­ден­ной ва­лент­ной зо­ны ку­бич. кри­стал­лов в зо­ну про­во­ди­мо­сти. При не­уп­ру­гом (диф­фуз­ном) рас­сея­нии на по­верх­но­сти элек­тро­ны, дос­ти­гаю­щие её, те­ря­ют на­прав­лен­ный им­пульс вдоль по­верх­но­сти, то­гда как элек­тро­ны, дви­гаю­щие­ся от по­верх­но­сти, со­хра­ня­ют его, что и при­во­дит к воз­ник­но­ве­нию то­ка вдоль по­верх­но­сти.

При по­гло­ще­нии или от­ра­же­нии све­та сво­бод­ны­ми но­си­те­ля­ми за­ря­да в по­лу­про­вод­ни­ках и ме­тал­лах по­верх­но­ст­ный Ф. э. воз­ни­ка­ет при на­клон­ном па­де­нии све­та, а так­же при нор­маль­ном па­де­нии, ес­ли нор­маль к по­верх­но­сти не сов­па­да­ет с од­ной из гл. осей кри­стал­ла вслед­ст­вие пе­ре­да­чи им­пуль­са фо­то­нов элек­тро­нам.

Лит.: Ив­чен­ко Е. Л., Пи­кус Г. Е. Фо­то­галь­ва­ни­че­ские эф­фек­ты в по­лу­про­вод­ни­ках // Про­бле­мы со­вре­мен­ной фи­зи­ки. Л., 1980; Стур­ман Б. И., Фрид­кин В. М. Фо­то­галь­ва­ни­че­ский эф­фект в сре­дах без цен­тра сим­мет­рии и род­ст­вен­ные яв­ле­ния. М., 1992.

Вернуться к началу