Фотогальванический эффект.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером (с р-п переходом, с переходом металл — полупроводник, с гетеропереходом): внутреннее электрическое поле перехода разделяет возникшие под воздействием оптического излучения фотоносители. Пространственно разделенные фотоносители разных знаков — дырки и электроны — создают фото-ЭДС.

Фотогальванический эффект первого типа возникает только при генерации светом подвижных носителей заряда одновременно обоих знаков (электронов и дырок) и обусловлен 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 также обусловливаться "нагревом" электронов светом. Этот механизм подобен "обычному" термоэлектрическому эффекту и может быть существен как при межзонном поглощении, так и при внутризонном.

К Фотогальваническим эффектам, связанным с пространственным разделением носителей, относятся:

1) Дембера эффект - возникает при неоднородном освещении образца из-за различия коэффициента диффузии электронов и дырок. Он может возникать и при однородном освещении вследствие различия скоростей поверхностной рекомбинации на противоположных гранях образца.

2) Вентильная эдс - образуется в результате разделения электронов и дырок электрич. полем приэлектродного Шоттки барьера на контакте металл - полупроводник, полем р-п-перехода или гетероперехода . 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.

Рисунок 4. Разделение возбуждаемых светом электронно-дырочных пар на р - n-переходе.

Фотоэлементы на р-n - переходах или гетеропереходах используются как высокочувствительные малоинерционные приёмники излучения, а также для прямого преобразования световой энергии в электрическую. При регистрации излучения фотоэлемент непосредственно замыкается на внешнюю нагрузку либо последовательно с нагрузкой включается внеш. источник, создающий на р-n- переходе значительное смещение в запорном направлении. Это даёт возможность существенно повысить чувствительность прибора.

При освещении изолируемой поверхности полупроводника вследствие разделения пар полем приэлектродного барьера и изменения заряда на поверхностных ловушках происходит изменение потенциала поверхности. Потенциал освещённой поверхности называется плавающим, а его изменение - поверхностной 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 металлическим электродом включает кроме поверхностной эдс (основной вклад) также и эдс Дембера, возникающую в приповерхностной области.

3) Объёмная фотоэдс - вызывается разделением пар носителей на неоднородностях в объёме образца, создаваемых изменением концентрации легирующей примеси, или изменением химического состава сложных полупроводников. Причиной разделения пар является встроенное электрическое поле. Оно создаётся в результате изменения положения уровня Ферми , зависящего от концентрации примеси, а в образцах с переменным химическим составом также и в результате изменения ширины запрещённой зоны .

Для появления объёмной эдс не требуется наличия в образце областей с разным типом проводимости. Обычно объёмная эдс наблюдается при освещении внутренней 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) Фотопьезоэлектрический эффект - 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 коэффициент диффузии носителей заряда. Последний механизм наиболее эффективен при деформациях многодолинных полупроводников, приводящих к перераспределению носителей между долинами.

5) Высоковольтная эдс - возникает при неоднородном освещении и характеризуется тем, что электрическое поле направлено вдоль поверхности образца, её величина пропорциональна длине освещённой области. В отличие от вентильной и объёмной эдс, величины к-рых не превышают ширины запрещённой зоны, высоковольтная эдс может превышать 103В. 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. Фотогальванический эффект второго типа обусловлены асимметрией элементарных процессов фотовозбуждения носителей, их рассеяния и рекомбинации. Эти фотогальванический эффект 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 фотогальваническим эффектам относятся:

а) эффект увлечения электронов фотонами, связанный с асимметрией в распределении фотоэлектронов по импульсу, вызываемому передачей им импульса фотонов. В двумерных структурах при оптических переходах между минизонами фототек увлечения вызван преимуществ. переходами электронов с определенным направлением импульса и может существенно превышать соответствующий ток в объёмных кристаллах.

б) линейный фотогальванический эффект - не связан с передачей импульса фотона электронам и поэтому не меняется при изменении направления распространения света на обратное. 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 переходах. При этом вклад в ток дают как процессы поглощения света, так и рассеяния и рекомбинации.

В общем случае направление и величина тока j зависят от положения плоскости поляризации света.

где - степень линейной поляризации света, j – угол между плоскостью поляризации и осью, x - тензор, определяемый симметрией кристалла.

В кристаллах с полярной осью, как правило, основного 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.

Рисунок 5. 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 фотогальванический эффект, но и эффект оптического выпрямления, т. е. квадратичная по Е поляризация кристалла , возникающая при освещении. Соответствующий ток.

в) Циркулярный фотогальванический эффект - возникает в гиротропных кристаллах при освещении циркулярно (эллиптически) поляризованным светом и меняет знак при изменении знака круговой поляризации . Описывается соотношением

Yав - тензор отличен от 0 в гиротропных кристаллах. В кубических кристаллах классов Т и О , а также в одноосных кристаллах при распространении света вдоль главных осей 3-, 4- и 6-го порядков.

Направление тока совпадает с направлением распространения света, циркулярный фотогальванический эффект создаётся баллистическим 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 - оптическая активность, индуцированная током; она вызывается ориентацией спинов в гиротропных кристаллах при пропускании тока.

Линейный и циркулярный фотогальванический эффект, как и эффект увлечения, используются для создания безынерционных приёмников интенсивного излучения. В диэлектриках линейный фотогальванический эффект является основным механизмом оптической памяти, т. к. он приводит к изменению показателя преломления, сохраняющемуся после выключения света и зависящему от его интенсивности. Это изменение вызывается замороженными электрическим полями, возникающими в результате перезарядки ловушек фототоками.

г) Поверхностный фотогальванический эффект - обусловлен рассеянием возбуждаемых светом носителей заряда на поверхности. При межзонном поглощении возникает в условиях, когда значительная часть возбуждаемых носителей может достичь её без рассеяния. В этом случае в результате отражения электронов от поверхности возникает баллистический ток, нормальный к поверхности.

В тех случаях, когда при возбуждении носителей происходит их выстраивание по импульсу, т. е. их функция распределения является анизотропной, может появиться и ток, текущий вдоль поверхности. Для этого необходимо, чтобы средние 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 кубических кристаллов в зону проводимости. При неупругом 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 фотогальванический эффект 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.

Заключение.

Важная особенность фотодиодов – высокое быстродействие. Они могут работать на частотах до нескольких миллионов герц. Фотодиоды обычно изготовляют из германия или кремния.

Фотодиод является потенциально широкополосным приемником. Этим и обуславливается его повсеместное применение.

В будущем крайне важно повышение рабочей температуры фотодиодов. Оценивая сегодняшнюю оптоэлектронику в целом, можно сказать, что она скорее «криогенная», чем «комнатная».

Будущее оптоэлектроники находится в прямой зависимости от прогресса фотодиодных структур. Оптическая электроника бурно развивается, разрабатываются новые типы фотоприемников, и наверняка уже скоро появятся фотодиоды на основе новых материалов с большей чувствительностью, повышенным быстродействием и с улучшенными характеристиками в целом.

Список литературы

1) Тауц Я., Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках, пер. с чеш., М., 1962

2) ; Рывкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963;

3) Пикус Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965;

4) Белиничер В. И., Стурман Б. И., Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии, "УФН", 1980, т. 130, с. 415;

5) 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;

6) Альперович В. Л. [и др.], Поверхностный фотогальванический эффект в твердых телах, "ЖЭТФ", 1981, т. 80, с. 2298;

7) Нормантас Э., Пикус Г. Е., Эффект увлечения при отражении света от поверхности, "ФТТ", 1985, т. 27, с. 3017;

8) Стурман Б. И., Фридкин В. М., Фотогальванический эффект в средах без центра симметрии и родственные явления, М., 1992;

9) Ivchenko Е., Pikus G., Superlattices and other heterostructures. Symmetry and optical phenomena, B.- [a. o.], 1995.