ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

ФОТОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ

(фотовольтаиче-ский эффект) - возникновение электрич. тока при освещении образца-полупроводника или диэлектрика, включённого в замкнутую цепь (фототок), или возникновение эдс на освещаемом образце при разомкнутой внеш. цепи (фо-тоэдс). Различают два типа Ф. э.

Ф. <э. первого типа возникает только при генерации светом подвижных носителей заряда одновременно обоих знаков (электронов и дырок) и обусловлен разделением этих носителей в пространстве (о Ф. э. второго типа см. ниже). 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 также обусловливаться "нагревом" электронов светом. Этот механизм подобен "обычному" термоэлектрич. эффекту (см. Термоэлектрические явления )и может быть существен как при межзонном поглощении, так и при внутризонном.

К Ф. э., связанным с пространственным разделением носителей, относятся: 1) Дембера эффект - возникает при неоднородном освещении образца из-за различия коэф. диффузии электронов и дырок. Он может возникать и при однородном освещении вследствие различия скоростей поверхностной рекомбинации на противоположных гранях образца (см. Поверхностные состояния).

2) В е н т и л ь н а я (б а р ь е р н а я) э д с - образуется в результате разделения электронов и дырок электрич. полем приэлектродного Шоттки барьера на контакте металл - полупроводник, полем р-п-перехода или гетероперехода. На рис. 1 схематически показано разделение пар, возникающее при освещении р-n -перехода. Вклад в ток дают как носители, 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 -областъ. При разомкнутой цепи создаётся эдс в пропускном (прямом) направлении р-n -перехода, компенсирующая этот ток.

Рис. 1. Разделение возбуждаемых светом электрон но-дырочных пар на р - n -переходе.

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). При регистрации излучения фотоэлемент непосредственно замыкается на внеш. нагрузку либо последовательно с нагрузкой включается внеш. источник, создающий на р -n -переходе значит. смещение в запорном направлении. Это даёт возможность существенно повысить чувствительность прибора.

При освещении изолир. поверхности полупроводника вследствие разделения пар полем приэлектродного барьера и изменения заряда на поверхностных ловушках происходит изменение потенциала поверхности. Потенциал освещённой поверхности наз. п л а в а ю щ и м, а его изменение- п о в е р х н о с т н о й эдс. Последняя может быть измерена конденсаторным методом с использованием либо вибрирующего электрода (метод Кельвина), либо прерывистого освещения. Измеряемое при этом изменение контактной разности потенциалов между поверхностью полупроводника и металлич. электродом включает кроме поверхностной эдс (основной вклад) также и эдс Дембера, возникающую в приповерхностной области.

3) О б ъ ё м н а я ф о т о э д с - вызывается разделением пар носителей на неоднородностях в объёме образца, создаваемых изменением концентрации легирующей примеси, или изменением хим. состава сложных полупроводников. Причиной разделения пар является т. <н. в с т р о е нн о е электрич. поле. Оно создаётся в результате изменения положения уровня Ферми , зависящего от концентрации примеси, а в образцах с перем. хим. составом также и в результате изменения ширины запрещённой зоны (в а р и-з о н н ы е п о л у п р о в о д н и к и).

Для появления объёмной эдс не требуется наличия в образце областей с разным типом проводимости. Обычно объёмная эдс наблюдается при освещении внутр. части образца, содержащей встроенное поле, при затемнённых контактах. Объёмная эдс может возникать также в результате отсутствия компенсации эдс Дембера на противоположных границах освещаемой области при различии свойств полупроводника у этих границ.

4) Ф о т о п ь е з о э л е к т р и ч е с к и й (ф о т о с е г н е т о-э л е к т р и ч е с к и й) э ф ф е к т - возникновение фототока или фотоэдс при деформации образца. Одним из его механизмов является возникновение объёмной эдс при неоднородной деформации, приводящей к изменению параметров полупроводника, прежде всего по образцу. Другим механизмом Ф. э. является поперечная эдс Дембера, возникающая при одноосной деформации, вызывающей анизотропию коэф. диффузии носителей заряда. Последний механизм наиб. эффективен при деформациях многодолинных полупроводников, приводящих к перераспределению носителей между долинами.

5) В ы с о к о в о л ь т н а я (а н о м а л ь н а я) э д с - возникает при неоднородном освещении и характеризуется тем, что электрич. поле направлено вдоль поверхности образца, её величина пропорц. длине освещённой области. В отличие от вентильной и объёмной эдс, величины к-рых не превышают ширины запрещённой зоны, высоковольтная эдс может превышать 10³ В. Одним из её механизмов является поперечный эффект Дембера в условиях, когда диффузионный ток имеет компоненту вдоль поверхности; другой механизм - образование структуры р-п-р - п-р, выходящей на поверхность. Высоковольтная эдс возникает вследствие суммирования эдс на каждой паре несимметричных р-п- и п-p -переходов. Ф. э. второго типа обусловлены асимметрией элементарных процессов фотовозбуждения носителей, их рассеяния и рекомбинации. Эти Ф. э. не требуют образования пар свободных носителей и наблюдаются как при межзонных переходах, так и при возбуждении носителей с примесей и при поглощении света свободными носителями. К этим Ф. э. относятся: а) эффект увлечения электронов фотонами, связанный с асимметрией в распределении фотоэлектронов по импульсу, вызываемому передачей им импульса фотонов. В двумерных структурах при оптич. переходах между минизонами фототек увлечения вызван преимуществ. переходами электронов с определ. направлением импульса и может существенно превышать соответствующий ток в объёмных кристаллах.

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

Фототек линейного Ф. э. описывается феноменелогич. соотношением:

где E_b, E_g -проекции вектора поляризации световой волны; c_abg- тензор, определяемый симметрией кристалла. Он отличен от 0 только в пьезоэлектриках (хотя не связан с пьезоэлектрич. эффектом), поэтому линейный Ф. э. может наблюдаться только в пьезоэлектриках. В общем случае направление и величина тока j зависят от положения плоскости поляризации света. Напр., для кристалла GaAs при распространении света вдоль оси [110] ток вдоль [110] равен

где -степень линейной поляризации света, j - угол-между плоскостью поляризации и осью [001 ] (рис. 2). В кристаллах с полярной осью, как правило, осн. компонента тока направлена вдоль этой оси и не зависит от поляризации излучения.

Рис. 2. Зависимость фотоэдс, обусловленной линейным фотогальваническим эффектом в p-GaAs, от угла j между плоскостью поляризации света и осью кристалла [001 ]; T=300 К, l= 10,6 мкм.

Рис. 3. Зависимость продольной фотоэдс в Те, возникающей при распространении света вдоль оси с₃, от степени циркулярной поляризации

При нестационарном освещении пьезоэлектриков вклад в ток даёт не только линейный Ф. э., но и эффект оптич. выпрямления (d-с -э ф ф е к т), т. е. квадратичная по Е поляризация кристалла , возникающая при освещении. Соответствующий ток (см. Детектирование света).

в) Ц и р к у л я р н ы й Ф. э.- возникает в гиротропных кристаллах при освещении циркулярно (эллиптически) поляризованным светом и меняет знак при изменении знака круговой поляризации . Описывается соотношением

тензор g_ab отличен от 0 в г и р о т р о п н ы х к р и с т а л л а х. В кубич. кристаллах классов Т и О (см. Симметрия кри сталлов), а также в одноосных кристаллах при распространении света вдоль гл. осей 3-, 4- и 6-го порядков

направление тока совпадает (или обратно ему) с направлением распространения света (рис, 3), Циркулярный Ф. э. создаётся баллистич. механизмом. Причина этого эффекта- корреляция между спином электрона и его импульсом в гиротропных кристаллах. При возбуждении электронов циркулярно поляризованным светом, приводящим к оптической ориентации спинов, они одновременно приобретают и направленный импульс. Наблюдался и обратный эффект - оптич. активность, индуцированная током; она вызывается ориентацией спинов в гиротропных кристаллах при пропускании тока.

Линейный и циркулярный Ф. э., как 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. Это изменение вызывается замороженными электрич. полями, возникающими в результате перезарядки ловушек фототоками.

г) П о в е р х н о с т н ы й 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, нормальный к поверхности.

В тех случаях, когда при возбуждении носителей происходит их выстраивание по импульсу, т. е. их ф-ция распределения является анизотропной, 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 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 в полупроводниках (и металлах) поверхностный Ф. э. возникает при наклонном падении света, а также и при нормальном падении, если нормаль к поверхности не совпадает с одной из главных осей кристалла вследствие передачи импульса фотонов электронам.

Лит.: Тауц Я., Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках, пер. с чеш., М., 1962; Рывкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Пикус Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965; Белиничер В. И., Стурман Б. И., Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии, "УФН", 1980, т. 130, с. 415; Ивченко Е. Л., Пику с Г. Е., Фотогальванические эффекты в полупроводниках, в сб.: Проблемы современной физики. Сб. ст. к 100-летию со дня рождения А. Ф. Иоффе, Л., 1980; Альперович В. Л. [и др.], Поверхностный фотогальванический эффект в твердых телах, "ЖЭТФ", 1981, т. 80, с. 2298; Нормантас Э., Пикус Г. Е., Эффект увлечения при отражении света от поверхности, "ФТТ", 1985, т. 27, с. 3017; Стурман Б. И., Фридкин В. М., Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии и родственные явления, М., 1992; Ivchenko Е., Pikus G., Superlattices and other heterostructures. Symmetry and optical phenomena, B.- [a. o.], 1995.

Г. Е. Пикус.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.