Физика полупроводников - Лазарь С.С.
Скачать (прямая ссылка):
уровня Ферми, построенная согласно (9.77). Как видно из рисунка, здесь
следует рассматривать четыре основные области:
420
ГрО
где
1) область а, где т *=¦ тп0. Когда уровень Ферми проходит в этой
области, все примесные уровни свободны и число дырок в валентной зоне
велико. Любой электрон, появившийся в зоне проводимости, тотчас же
сваливается в ловушку и вслед за этим на пустое место в валентной зоне. В
этом случае весь процесс ограничивается скоростью захвата электронов,
поэтому время жизни пары
1
f ТпО>
'-'в
2) область б; здесь ловушки еще почти все пусты, но число пустых
мест в валентной зоне (т, е. число дырок в валентной зоне) начинает
ограничивать рекомбинацию. Электрон может, не дождавшись прихода
дырки, вновь уйти в зону проводимости, поэтому время жизни растет по
мере подъема уровня Ферми;
3) на участке в число электронов на примесных уровнях по-
прежнему достаточно, но число свободных электронов в зоне проводимости
уже мало и начинает ограничивать вероятность рекомбинации;
4) аналогичные рассуждения можно провести для верхней половины
зоны; здесь мы уже имеем дело с ярко выраженными образцами л-типа. Все
ловушки забиты, и весь процесс лимитируется скоростью захвата дырок.
9.3. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ
До сих пор мы рассматривали только изменение проводимости
под действием света. Для того чтобы освещение полупроводника
вызвало появление в цепи электродвижущей силы (фото-э. д. с.),
должно выполняться одно из следующих двух условий:
а) либо освещение должно быть неоднородным, т. е. в
различных элементах объема полупроводника должно поглощаться
различное количество фотонов и соответственно появляться
различное количество фотоносителей. Наличие градиента
концентрации фотоносителей будет вызывать их диффузию и за счет
этого возникнет фото-э. д. с. (если диффузия дырок и электронов не
будет абсолютно одинакова);
б) либо освещаемый полупроводник должен быть неод-
нородным, в этом случае распределение концентрации
фотоносителей также может быть непостоянным и вследствие этого
может возникнуть фото-э. д. с.
Рассмотрим коротко три фотовольтаических эффекта: эффект
Дембера, фотомагнитный эффект Кикоина - Носкова и вентильный
фотоэффект.
421
Эффект Дембера. Если на поверхность полупроводника падает
свет, энергия квантов которого достаточна для генерации
фотоносителей, и коэффициент поглощения света при этом
достаточно велик, то свет будет поглощаться в основном в
приповерхностном слое полупроводника и в этом слое будут
создаваться фотоносители. Это как раз и есть случай неоднородной
освещенности полупроводника, упомянутый выше. Электроны или
дырки (или и те и другие) будут при этом диффундировать в область
с меньшей освещенностью и за счет этого возникнет э. д. с.
пропорциональная разности коэффициентов диффузии (или, что то
же самое, подвижностей) носителей противоположного знака. Эта
разность потенциалов скомпенсирует разность коэффициентов
диффузии, и в стационарном состоянии электроны и дырки будут
уже в равном количестве диффундировать в затененную область и
там рекомбинировать.
Приведем выражение для э. д. с. Дембера без вывода:
у kT "_p-u-_lnGv_ (97g)
м е ир-\-ип стт '
v '
здесь ап - удельная электропроводность полупроводника в
непосредственной близости от поверхности, т. е. сумма темновой и
фотопроводимости:
ffn = ffcp + Фг, (9.79)
и сгт - проводимость в глубине полупроводника в той области, куда
уже не проникает свет, т. е. темновая проводимость.
Из (9.78) видно, что фото-э. д. с. Дембера тем больше, чем больше
разность подвижностей. Формула (9.78) может быть применена
также к примесной фотопроводимости
(т. е. к тому случаю, когда электроны вырываются с доноров или
забрасываются на акцепторы). При этом либо ип, либо ир должна
быть приравнена к нулю. Эффект Дембера в известной мере
аналогичен явлению термо-э. д. с.
Фотомагнитный эффект Кикоина - Носкова [34]. Как мы уже
упоминали, э. д. с. Дембера возникает лишь за счет разности
подвижностей дырок и электронов, при ир = ип согласно (9.78) Кд = 0.
Но если теперь мы к этому же образцу приложим магнитное поле,
направленное перпендикулярно к потоку лучистой энергии и к
одной из граней, то и на электроны и на дырки, диффундирующие от
освещенной поверхности, будет действовать магнитная состав-
422
ляющая силы Лоренца
, е [ v Н ]
и
(9.80)
и отклонять их (электроны и дырки) в противоположные стороны
(так как направление скорости у них в данном случае одинаково и
заряды противоположны).
Таким образом, возникает поперечная э. д. с., перпендикулярная
направлению магнитного поля и потока лучистой энергии. Величина
э. д. с. Кикоина - Носкова в стационарном состоянии определяется
тем условием, что ток, созданный этой э. д. с., должен
скомпенсировать ток, создаваемый магнитным полем.
Если эффект Дембера аналогичен явлению термо-э. д. с., то
