Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект приводит к возникновению фотоЭДС и обуславливает возникновение фотопроводимости. При рассмотрении фотоЭДС нельзя рассматривать электроны внутри твердого тела как свободные. Свободные электроны не могут поглощать подводимую энергию.

Полупроводниковые материалы при контакте с такими металлами, как железо алюминий и медь заряжаются отрицательно, образуя разность потенциалов от 1,1 до 2,4 В. Если на полупроводник направить луч света, то к контактной разности потенциалов добавится дополнительная электродвижущая сила, обусловленная внутренним возбуждением валентных электронов основных кластеров полупроводникового материала. Возникнет неравновесное состояние с заполнением собственных свободных уровней энергии, имеющихся в запрещенной зоне. В случае кремния это уровни и . С этими уровнями энергии комбинируют валентные электроны основного кластера. Терм расположен в запрещенной зоне, в ее середине, и выполняет роль эффективного уровня Ферми. Поэтому при облучении светом возможно поглощение с переводом валентного электрона основного кластера непосредственно в зону проводимости или путем ступенчатого возбуждения через терм . Валентные электроны в зоне проводимости находятся в свободном состоянии и заперты внутри вещества силами зеркального взаимодействия. Такие свободные электроны должны находиться на поверхности вещества.

В германии в запрещенной зоне реализуется пять свободных комбинирующих уровней энергии, а именно: 4 p 5 s ³P⁰, который отстоит от уровня Ферми на 0,12 эВ; уровень - на 1,47 эВ (практически срединный уровень); - на 1,81 эВ; - на 1,94 эВ и - на 2,28 эВ. Для германия ступенчатое возбуждение может реализоваться в достаточно широкой области изменения энергий от 0,12 до 2,49 эВ.

Энергетическая схема возможных ступенчатых возбуждений для германия приведена на рис. 151. Температурная заселенность определяется Больцмановским законом, т.е.

. (12.25)

Вероятность заселения центрального уровня энергии при нормальных условиях составляет 1.38·10^-25. Концентрация электронов на этом уровне энергии составит ~ 8·10⁴ м^-3, а в зоне проводимости это будет концентрация всего лишь ~ 10^-20 м^-3. По существу, зона проводимости при нормальных условиях в германии будет свободной от электронов проводимости. Аналогичная ситуация имеет место и для кремния. При облучении светом кремния или германия возникнет неравновесная ситуация и в зоне проводимости появятся свободные носители заряда – электроны, а в валентной зоне возникнут положительно заряженные «дырки». Ступенчатые переходы в этом случае будут играть существенную роль. На рис. 152 приведено спектральное распределение собственной фотопроводимости в германии. Максимум чувствительности приходится на область, где расположен центральный уровень энергии, соответствующий терму . Начинается возбуждение со значения энергии фотона ~ 0,6 эВ. Эта энергия соответствует разности между дном зоны проводимости и термом (0,55 эВ).

Подтверждением сложного характера энергетического строения германия (рис. 151) служит также зависимость квантового выхода от энергии возбуждаемых фотонов (рис. 153). Начинается возбуждение с энергии фотона ~ 0,6 эВ. При энергии фотонов 2,8 эВ возникает резкий рост квантового выхода, что обусловлено дополнительной ионизацией свободными фотоэлектронами связанных электронов с промежуточного терма , а с повышением энергии фотона происходит возбуждение с других промежуточных термов в запрещенной зоне германия. Зная зависимость квантового выхода фотоэлектронов, можно произвести расчет возникающего фототока в германии. Важно такой расчет выполнить применительно к облучению солнечным светом. Следует предположить, что Солнце излучает как абсолютно черное тело. Тогда плотность излучения на единичный частотный интервал определяется формулой Планка, которая имеет вид

. (12.26)

На основании (12.26) интегральный поток света от Солнца на поверхность Земли составит за пределами ее атмосферы

, (12.27)

R_С и R_С,З – соответственно радиус Солнца и радиус земной орбиты.

Если подынтегральное выражение в (12.23) умножить на функцию квантового выхода и поделить на величину энергии одного кванта (hν), то получим результирующий поток электронов при внутреннем фотоэффекте

. (12.28)

Здесь верхний и нижний пределы определяются условиями пропускания светового потока атмосферой Земли и поглощающими свойствами облучаемого объекта. В соответствии с экспериментальными данными (рис. 149 и рис. 150) а = 1,44·10¹⁴ и b = 1,21·10¹⁵ Гц. Исходя из значения солнечной постоянной 1,94 кал/см²мин, температура фотосферы Солнца в предположении абсолютно черного излучателя должна быть 5760 К. При такой температуре фотосферы Солнца и при нормальном падении прямого солнечного излучения на германий на основании (12.28) возникнет плотность электрического тока, равная ~ 3182 А/м². Такая большая величина получена в силу того, что на рис. 153 квантовый выход представлен не в абсолютных, а в относительных единицах.

Так как облученный светом полупроводник является генератором электрического тока, то при включении его в электрическую цепь, выдаваемая генератором мощность, составит

, (12.29)

где R = ρ_el/S – общее сопротивление полупроводника толщиной l и площадью S. Удельное сопротивление для германия ρ_е = 8,9·10^-2 Ом·см. Облучая германий площадью 1 м² и толщиной 1 мм, получаем разность потенциалов ~ 2,8 мВ, а выделяемая мощность составит ~ 9 Вт. С учетом рассеяния и поглощения света атмосферой Земли и частичного отражения от поверхности полупроводника получаемая мощность будет значительно меньше. Следовательно, фотоэмиссия для чистого германия не играет существенной роли в качестве преобразователя солнечного излучения в электрическую энергию.

Повысить эффективность работы солнечного преобразователя энергии на полупроводниковых материалах можно путем использования контактной разности потенциалов. В этом случае преобразователь световой энергии в электрическую выступает как генератор напряжения и генератор тока. Наибольшая контактная разность потенциалов реализуется, когда полупроводник наносится на медную основу (см. табл. 12.4). Контактная разность потенциалов в области контакта повышает уровень Ферми до дна зоны проводимости. Энергетическая щель в контакте медь-кремний и медь-германий соответственно равна эВ, эВ. Поэтому при облучении светом такого контакта возникнет примесная фотопроводимость. Примесная фотопроводимость для контакта медь-кремний начнется со значения энергии фотонов 0,85 эВ (длина волны ~ 1,46 мкм), а для контакта медь-германий – со значения 0,064 эВ (длина волны ~ 20 мкм). На рис. 154 приведен эксперимен тальный график возникновения примесной фотопроводимости для контакта медь-германий. Действительно, начиная с энергии фотонов 0,05 эВ и выше, возникает заметная примесная фотопроводимость контакта медь-германий, а со значения энергии фотонов 0,6 эВ и выше возникает фотопроводимость основных носителей тока в германии. Совпадение теоретической границы возникновения примесной фотопроводимости с опытным значением удовлетворительное.

Рассмотрим применение внутреннего фотоэффекта в целях преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. На основании рис. 153 и рис. 154 можно положить квантовый выход в области энергий 0,06 – 1,0 эВ равным 0,1. В этом предположении германий как генератор тока на медной основе будет давать мощность ~ 18,5 Вт. Если во внешнюю цепь включить сопротивление в 1 Ом, то дополнительно к генератору тока генератор напряжения даст мощность 2,38 Вт. Результирующая мощность будет составлять ~ 21 Вт. Коэффициент преобразования таким генератором тока солнечной радиации составляет всего ~ 1,5%. Известно, что для кремниевых солнечных генераторов тока и напряжения коэффициент преобразования составляет ~ 15%, а для германиевых коэффициент преобразования должен быть выше. На самом деле все наоборот. В чем тут дело?

Под воздействием лучистого потока происходит ионизация кластеров и в зоне проводимости, т.е. в межкластерных пустотах появляются свободные электроны. Такие электроны в поле световой волны совершают колебания и, сталкиваясь друг с другом, резко увеличивают свою энергию теплового движения, и уже эти электроны дополнительно приводят к температурной ионизации валентных электронов кластеров. Фотоэмиссия усиливается термоэмиссией. Возникает существенно неравновесное состояние. Электронный газ имеет температуру выше температуры кластерной решеточной структуры. Разность этих температур может составлять большую величину, так как электрон практически не передает свою энергию кластерам вследствие их большой разности масс. Эффективная температура электронного газа возрастает с увеличением светового потока заданной длины волны. Под влиянием прямого солнечного излучения эффективная температура свободных электронов может достигать значения ~ 10 900 К. В результате контактная разность потенциалов «германий-медь» возрастет до значения 3,79 В. Поток электронов от медной основы к германию может возрасти во много раз, так как потенциальный барьер между германием и медью полностью будет скомпенсирован контактной разностью потенциалов. В таком случае произойдет просто замыкание электрической цепи внутри солнечного преобразователя. Поэтому германий в качестве солнечного преобразователя не используется, а используется кремний, у которого ширина запрещенной зоны выше, чем у германия. В настоящее время интенсивно развивается наноэнергетика, физические основы которой не достаточно изучены.

Поиск по сайту: