Figura 1 este o diagramă care ilustrează efectele fotovoltaice de clasificare.
efect fotoelectric (efectul fotoelectric) este procesul de interacțiune a radiației electromagnetice cu materia, ca rezultat al căreia energia fotonilor este transferată la substanța electronilor.
Efectele fotoelectrici sunt împărțite în efectului fotoelectric extern și intern.
Efectul fotoelectric extern asociat cu ejecția electronilor din cristalul sub acțiunea radiației electromagnetice.
Când un efect fotoelectric electron intern vede de atomul prin acțiunea radiațiilor electromagnetice, dar rămâne în interiorul cristalului.
efectul fotoelectric intern este baza de fotoconductie și efectele fotovoltaice. Creșterea conductivitatea semiconductorului sub acțiunea radiației electromagnetice este numit fotoconductie. De asemenea, fotoconductivitatea de radiații electromagnetice în semiconductoare cauzele photovoltage. Efecte care duc la apariția foto-EMF în semiconductori se numesc fotovoltaice. Aparate bazate pe efectul fotoelectric se numește optoelectronic. Dispozitivele optoelectronice sunt împărțite în trei grupe:
dispozitive care convertesc energia electrică în radiații optice (diode emițătoare de lumină, lasere semiconductoare);
dispozitive, detectarea semnalelor optice datorate curge sub acțiunea radiației electromagnetice a proceselor electronice (Fotodispozitive);
Aparate care efectuează conversia radiației optice în energie electrică (dispozitive fotovoltaice, celule solare).
absorbție optică
Sub acțiunea radiațiilor electromagnetice cu un semiconductor, energia de interacțiune a fotonilor în cele două subsisteme - componentele atomice și electronice ale cristalului.
Modificarea intensității incidente radiațiilor electromagnetice asupra semiconductoare, poate fi descris de Bouger-Lambert:
unde J - intensitatea radiației electromagnetice la distanța x de la suprafață; J0 - intensitatea incidentului radiații pe semiconductor; b - coeficientul de absorbție.
Coeficientul de absorbție prezintă probabilitatea energiei de absorbție de fotoni la distanta de unitatea de lungime [b] = [m -1].
Sub acțiunea radiației electromagnetice în semiconductori sunt formate datorită purtătorilor de sarcină de neechilibru tranzițiilor electron-gol prezentate în figura 2. Tranziția de tip 1 corespunde materialului de absorbție intrinsecă în care este format dintr-o pereche de purtatori de sarcina, și anume electroni și goluri. O astfel de excitație se numește bipolar. Electronii în conducție și găuri în banda de valență, excitate de radiațiile electromagnetice, se deplasează la nivele mai înalte energii (2, 2a din figura 2). Această absorbție se numește absorbție de purtatori de sarcina. Absorbția atomilor fotoni de impuritate și imperfecțiuni cu zăbrele, care formează nivelul de energie în banda interzisă a semiconductorului, un tip de tranziție de 3 și 4. Tranzițiile de electroni de la un nivel de impuritate la banda de conducție (3) sau din banda de valență la nivelul impurităților (3a) sunt absorbția impurităților. Treceri 5, 5a din figura 2 corespunde absorbției la exciton.
excesul de electroni de lumină excitați și găuri sunt implicate în procesul de conductivitate semiconductoare, atâta timp cât nu recombina sau nu să fie capturate la nivel local de energie.
Spectrul de absorbție optică a semiconductorului depinde de mulți factori, cum ar fi lungimea de undă, frecvența radiației, concentrația centrelor de absorbție.
Sub absorbția centrelor înțeleg Purtătorii disponibile și conexe, defecte zăbrele, și atomii de impuritate proprii.
Figura 3 ilustrează dependența coeficientului de absorbție a lungimii de undă de radiație semiconductor.
Dețin de absorbție. absorbția Intrinsec corespunde trecerii electronilor din banda de valență a regiunii banda de conducție 1. Pentru punerea în aplicare este necesară o astfel de tranziție încât fotonii de energie absorbită ar fi egală sau mai mare decât bandgap semiconductor. În diagrama banda de energie a unui semiconductor, Figura 4 prezintă implementarea procesului.
Regiunea semiconductor absorbție intrinseca este fie în spectrul vizibil sau în spectrul de absorbție în infraroșu. lungime de undă Cutoff corespunzătoare absorbției intrinseci se determină prin formula:
unde h - constanta lui Planck; c - a vitezei luminii în vid; în eV.
Prin urmare, frecvența de delimitare corespunzătoare de absorbție intrinsecă, determinată de lățimea benzii interzise a semiconductorului. Coeficientul de absorbție SUA tranzițiilor directe aproximativ egale cu 10 8 m -1.
Când absorbția intrinsecă distinge tranziții directe și indirecte ale electronilor, așa cum se arată în figura 5.
tranziții directe de electroni numite tranziții verticale. Pentru astfel de tranziții sunt necesare energia fotonică mai mare sau egală cu lățimea de bandă interzisă.
tranzițiile indirecte apar între banda de valență maximă și minimă banda de conducție, zona 2 din Figura 5. Pentru a pune în aplicare aceste tranziții necesită costuri suplimentare de energie, care sunt extrase din energia rețelei de cristal - fononi. Astfel, pentru absorbția prin tranzițiile de electroni indirecte necesare parte cuante comună a căldurii și energiei luminii, astfel încât absorbția în tranziții indirecte trece la lungimi de undă mai scurte în ceea ce privește absorbția directă tranziții. Probabilitatea tranzițiilor indirecte reduse, deoarece pentru realizarea lor, este necesar ca electron și fononic ar fi într-un singur punct în spațiu, astfel încât coeficientul de absorbție b tranzițiile indirecte scăzut și este de 10 5 m -1.
absorbția II de impurități. Aceasta corespunde zonei de absorbție 3 în figura 3. Se realizează prin transferul de electroni de la nivelele donator în banda de conducție sau banda de valență la nivelurile acceptor. lungime de undă de absorbție de delimitare corespunde unui nivel de energie al unei impurități (bGH
EPR). Având în vedere faptul că energia nivelului de impuritate este mult mai mică decât diferența de bandă de semiconductoare, regiunea de absorbție a impurităților este mutat în regiunea în infraroșu a spectrului. Densitatea de stări la nivelul de impuritate este mult mai mică decât densitatea efectivă a statelor în banda de conducție (banda de valență), în valoare absolută, astfel încât coeficientul de absorbție a impurităților este de mai multe ordine de mai puțin proprii. Spectrul de absorbție poate fi prezente benzi separate, asociate cu excitarea atomilor de impuritate (regiune 4 din figura 3).
absorbția III la exciton. Starea excitată a atomului ca principal realizat când electronul nu este detașat de ea, și se conectează numai la unul dintre nivelele neocupate. O astfel de condiție a fost numită o excitonilor (de la cuvântul Excitație engleză - excitație). Spre deosebire de starea excitonului din starea excitată a atomului de impuritate este că energia cristalului este independent (datorită simetriei de translație, adică echivalență puncte identice celule diferite) din care a atomilor excitați, astfel încât starea excitată poate trece prin întregul cristal. Ca urmare, statele din zona de formare a excitonilor. mișcarea excitațiilor creează un curent electric, deoarece electronul nu este mutat, ci doar starea excitată a atomului. Un excitonului poate fi prezentată ca o propunere comună a unui electron și o gaură legată prin forțe Coulomb și rotirea în jurul unui centru comun de greutate; În plus, o astfel de pereche poate deplasa progresiv prin cristal.
Formarea unui exciton - atom de excitație necesită mai puțină energie decât ionizarea lui, prin urmare, liniile excitonice se află în spectrul de absorbție la dreapta a benzii de bază, adică la frecvențe joase și energii ... absorbția Eksitonnovomu corespunde regiunii 2 din figura 3.
IV Absorbția rețelei cristaline, regiunea 5 din figura 3. O parte din energia absorbită poate fi cheltuită pentru creșterea energiei de vibrație a rețelei cristaline. Ca urmare, există benzi înguste în spectrul infraroșu. Pentru cristale ionice absorbție puternică în regiunea infraroșu îndepărtat.
V Absorbția purtătorilor de sarcină. Deoarece aceasta corespunde regiunii de absorbție 6 din figura 3. Se realizează în tranziția electronilor de la un nivel de energie la altul în cadrul benzii de energie. Spectrul de absorbție al purtătorilor de sarcină liberi și este în continuă în infraroșu lungime de undă lungă.