광전지 효과 및 그 종류

1839년 프랑스의 물리학자 알렉상드르 에드몬드 베크렐(Alexandre Edmond Becquerel)이 소위 광전지(photovoltaic) 효과를 처음으로 관찰했습니다.

아버지의 실험실에서 실험을 하던 중 그는 전해액에 담긴 백금판을 비추어 백금판에 연결된 검류계가 백금의 존재를 나타내는 것을 발견했습니다. 기전력... 곧 19세의 Edmund는 입사광의 강도를 기록하는 장치인 액티노그래프를 만들어 자신의 발견에 유용한 응용 프로그램을 찾았습니다.

오늘날 광전지 효과에는 조명이 켜진 반도체 또는 유전체 샘플 또는 조명이 켜진 샘플의 EMF 현상을 포함하는 폐쇄 회로에서 전류의 출현과 관련된 현상의 전체 그룹이 어떤 식으로든 포함됩니다. 외부 회로가 열려 있습니다. 이 경우 두 가지 유형의 광전 효과가 구별됩니다.

광전 효과의 첫 번째 유형에는 높은 전기 광 EMF, 볼륨 광 EMF, 밸브 광 EMF, 광 에피조 전기 효과 및 Dember 효과가 포함됩니다.

두 번째 유형의 광전지 효과에는 표면, 원형 및 선형 광전지 효과뿐만 아니라 광자에 의한 전자 동반 효과가 포함됩니다.

첫 번째 및 두 번째 유형의 효과

첫 번째 유형의 광전지 효과는 조명 효과가 전자와 정공이라는 두 가지 특성의 이동성 전하 캐리어를 생성하여 샘플 공간에서 분리되는 과정에 의해 발생합니다.

이 경우 분리 가능성은 샘플의 비균질성(그 표면은 샘플의 비균질성으로 간주될 수 있음) 또는 빛이 표면 가까이에서 흡수될 때 조명의 비균질성과 관련이 있습니다. 샘플 표면이 조명되므로 전자에 떨어지는 빛의 영향으로 전자의 열 이동 속도가 증가하여 EMF가 발생합니다.

두 번째 유형의 광전지 효과는 빛에 의한 전하 캐리어의 여기의 기본 프로세스의 비대칭, 산란 및 재결합의 비대칭과 관련이 있습니다.

이러한 유형의 효과는 반대 전하 캐리어 쌍의 추가 형성 없이 나타나며, 밴드 간 전이로 인해 발생하거나 불순물에 의한 전하 캐리어의 여기와 관련될 수 있습니다. 무료 충전 캐리어.

다음으로 광전지 효과의 메커니즘을 살펴보겠습니다. 먼저 첫 번째 유형의 광전지 효과를 살펴본 다음 두 번째 유형의 효과에 주의를 돌립니다.

두꺼운 효과

뎀버 효과는 샘플의 균일한 조명 하에서 발생할 수 있는데, 그 이유는 반대쪽의 표면 재결합 속도의 차이 때문입니다. 샘플의 조명이 고르지 않으면 전자와 정공의 확산 계수(이동도 차이)의 차이로 인해 Dember 효과가 발생합니다.

펄스 조명에 의해 시작된 Dember 효과는 테라헤르츠 범위의 방사선을 생성하는 데 사용됩니다. Dember 효과는 InSb 및 InAs와 같이 전자 이동도가 높고 간격이 좁은 반도체에서 가장 두드러집니다.[banner_adsense]

배리어 포토-EMF

게이트 또는 장벽 광기전력은 전기장에 의해 전자와 정공이 분리되어 발생합니다. 쇼트키 장벽 금속-반도체 접촉의 경우 뿐만 아니라 현장 p-n-접합 또는 헤테로접합.

여기서 전류는 pn 접합 영역에서 직접 생성된 두 전하 캐리어와 전극에 가까운 영역에서 여기되고 확산에 의해 강한 필드 영역에 도달하는 캐리어의 이동에 의해 형성됩니다.

쌍 분리는 p 영역에서 정공 흐름의 형성과 n 영역에서 전자 흐름의 형성을 촉진합니다. 회로가 열려 있으면 EMF는 p-n 접합에 대해 직접적인 방향으로 작용하므로 그 작용은 원래 현상을 보상합니다.

이 효과는 기능의 기초입니다 태양 전지 반응이 낮은 고감도 방사선 검출기.

체적 사진 EMF

벌크 광 EMF는 그 이름에서 알 수 있듯이 도펀트 농도의 변화 또는 화학 조성의 변화와 관련된 불균일성에서 샘플 벌크의 전하 캐리어 쌍이 분리된 결과로 발생합니다. 반도체는 화합물입니다).

여기서 쌍을 분리하는 이유는 소위 불순물 농도에 따라 달라지는 페르미 준위의 위치 변화에 의해 생성된 카운터 전기장. 또는 복잡한 화학 구성을 가진 반도체에 대해 이야기하는 경우 쌍의 분할은 대역폭의 변화로 인해 발생합니다.

벌크 광전자의 출현 현상은 반도체의 동질성 정도를 결정하기 위한 반도체 프로빙에 적용할 수 있습니다. 샘플 저항은 불균일성과도 관련이 있습니다.

고전압 광EMF

비정상(고전압) 광 EMF는 불균일한 조명이 샘플 표면을 따라 전계를 유도할 때 발생합니다. 결과 EMF의 크기는 조명 영역의 길이에 비례하며 1000볼트 이상에 도달할 수 있습니다.

메커니즘은 Dember 효과(확산 전류가 표면 지향 성분을 갖는 경우) 또는 표면에 돌출된 p-n-p-n-p 구조의 형성에 의해 발생할 수 있습니다. 결과적인 고전압 EMF는 비대칭 n-p 및 p-n 접합의 각 쌍의 총 EMF입니다.

광 에피조 전기 효과

광 에피조 전기 효과는 샘플이 변형되는 동안 광전류 또는 광기전력이 나타나는 현상입니다. 그 메커니즘 중 하나는 불균일 변형 중에 벌크 EMF가 나타나 반도체의 매개 변수를 변경하는 것입니다.

광에피소전 EMF의 출현에 대한 또 다른 메커니즘은 전하 캐리어의 확산 계수의 이방성을 유발하는 일축 변형에서 발생하는 횡방향 Dember EMF입니다.

후자의 메커니즘은 다중 밸리 반도체 변형에서 가장 효과적이며 밸리 사이의 캐리어 재분배로 이어집니다.

우리는 첫 번째 유형의 모든 광전지 효과를 살펴본 다음 두 번째 유형에 기인한 효과를 살펴볼 것입니다.

광자에 의한 전자 인력의 효과

이 효과는 광자에서 얻은 운동량에 대한 광전자 분포의 비대칭성과 관련이 있습니다. 광학 미니밴드 전이가 있는 2차원 구조에서 슬라이딩 광전류는 주로 특정 운동량 방향의 전자 전이에 의해 발생하며 벌크 결정의 해당 전류를 상당히 초과할 수 있습니다.

선형 태양광 효과

이 효과는 샘플에서 광전자의 비대칭 분포 때문입니다. 여기서 비대칭은 두 가지 메커니즘에 의해 형성되는데, 첫 번째는 양자 전이 동안 펄스의 방향성과 관련된 탄도성이고 두 번째는 양자 전이 동안 전자 파동 패킷의 무게 중심 이동으로 인한 전단입니다. 양자 전이.

선형 광전 효과는 광자에서 전자로의 운동량 전달과 관련이 없으므로 선형 편광이 고정되어 빛의 전파 방향이 역전되어도 변하지 않습니다.광 흡수 및 산란 및 재결합 과정은 전류(이러한 기여는 열 평형 상태에서 보상됨).

유전체에 적용된 이 효과는 빛의 강도에 따라 달라지는 굴절률의 변화로 이어지고 꺼진 후에도 지속되기 때문에 광학 메모리의 메커니즘을 적용할 수 있다.

원형 태양광 효과

이 효과는 자이로트로픽 크리스탈의 타원형 또는 원형 편광으로 조명될 때 발생합니다. EMF는 극성이 바뀌면 부호를 반전시킵니다. 그 효과의 이유는 자이로트로픽 결정에 내재된 스핀과 전자 모멘텀 사이의 관계에 있습니다. 전자가 원형 편광에 의해 여기되면 전자의 스핀이 광학적으로 배향되어 방향성 전류 펄스가 발생합니다.

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반대 효과의 존재는 전류의 작용 하에서 광학 활동의 출현으로 표현됩니다. 전송된 전류는 자이로트로픽 결정에서 스핀의 방향을 유발합니다.

마지막 세 가지 효과는 관성 수신기에서 사용됩니다. 레이저 방사선.

표면 광전지 효과

표면 광기전 효과는 빛의 경사 입사 동안 및 또한 결정 표면에 대한 법선이 다른 경우 수직 입사 중에 광자에서 전자로 운동량이 전달되어 금속 및 반도체의 자유 전하 캐리어에 의해 빛이 반사되거나 흡수될 때 발생합니다. 주요 결정축 중 하나로부터의 방향.

그 효과는 시료 표면에 빛으로 여기된 전하 캐리어가 산란되는 현상에 있습니다. 대역간 흡수의 경우 여기된 캐리어의 상당 부분이 산란 없이 표면에 도달하는 조건에서 발생합니다.

따라서 전자가 표면에서 반사되면 표면에 수직으로 향하는 탄도 전류가 형성됩니다. 여기 시 전자가 관성 상태로 배열되면 표면을 따라 흐르는 전류가 나타날 수 있습니다.

이 효과의 발생 조건은 표면을 따라 이동하는 전자에 대한 "표면을 향한"및 "표면에서"운동량의 평균값의 0이 아닌 구성 요소의 부호 차이입니다. 조건은 예를 들어 축퇴 원자가대에서 전도대로 전하 캐리어가 여기될 때 입방정에서 충족됩니다.

표면에 의한 확산 산란에서 표면에 도달하는 전자는 표면을 따라 운동량 성분을 잃고 표면에서 멀어지는 전자는 운동량을 유지합니다. 이로 인해 표면에 전류가 나타납니다.