Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ФО)"

Фотоэдс

Фотоэдс, электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике при поглощении в нём электромагнитного излучения (фотонов). Появление Ф. (фотовольтаический эффект) обусловлено пространственным разделением генерируемых излучением носителей заряда (фотоносителей). Разделение фотоносителей происходит в процессе их диффузии и дрейфа в электрическом и магнитном полях из-за неравномерной генерации, неоднородности кристалла, воздействия внешнего магнитного поля, одноосного сжатия и др.

  Объёмная Ф. в однородном полупроводнике, обусловленная неодинаковой генерацией в нём фотоносителей, называется диффузионной, или фотоэдс Дембера. При неравномерном освещении полупроводника или облучении его сильно поглощающимся (и быстро затухающим в глубине кристалла) излучением концентрация фотоносителей велика вблизи облучаемой грани и мала или равна нулю в затемнённых участках. Фотоносители диффундируют от облучаемой грани в область, где их концентрация меньше, и если подвижности электронов проводимости и дырок неодинаковы, в объёме полупроводника возникает пространственный заряд, а между освещенным и затемнённым участками – фотоэдс Дембера. Величина этой Ф. между двумя точками полупроводника 1 и 2 может быть вычислена по формуле:

,

где k – Больцмана постоянная , е – заряд электрона, Т – температура, m_э и m_д – подвижности электронов и дырок, s₁ и s₂ – электропроводность в точках 1 и 2. Фотоэдс Дембера при данной интенсивности освещения тем больше, чем больше разность подвижностей электронов и дырок и чем меньше электропроводность полупроводника в темноте. Излучение, генерирующее в полупроводнике только основные носители заряда, не создаёт фотоэдс Дембера, так как в этом случае эдс в объёме компенсируется равной ей по величине и противоположной по знаку эдс, образующейся на контакте полупроводника с электродом. Фотоэдс Дембера в обычных полупроводниках мала и практического применения не имеет.

  Вентильная (барьерная) Ф. возникает в неоднородных по химическому составу или неоднородно легированных примесями полупроводниках, а также на контакте полупроводника с металлом. В области неоднородности в полупроводнике существует внутреннее электрическое поле, которое ускоряет генерируемые излучением неосновные и замедляет основные неравновесные носители заряда. В результате фотоносители разных знаков пространственно разделяются. Разделение электронов и дырок внутренним полем эффективно, когда неоднородность не слишком плавная, так что на длине порядка диффузионной длины неосновных носителей заряда разность химических потенциалов превышает kT/e (при комнатной температуре kT/e = 0,025 эв ). Вентильная Ф. может возникать в полупроводнике под действием света, генерирующего и электроны, и дырки или хотя бы только неосновные носители. Для практических применений особенно важна вентильная Ф., возникающая в электронно-дырочном переходе или полупроводниковом гетеропереходе . Она используется в фотоэлектронных приборах (фотовольтаических элементах, солнечных элементах). По величине вентильной Ф. также обнаруживают слабые неоднородности в полупроводниковых материалах .

  Ф. может возникать также в однородном полупроводнике при одновременном одноосном сжатии и освещении (фотопьезоэлектрический эффект). Она появляется на гранях, перпендикулярных направлению сжатия, её величина и знак зависят от направления сжатия и освещения относительно кристаллографических осей. Ф. пропорциональна давлению и интенсивности излучения. В этом случае Ф. обусловлена анизотропией коэффициентом диффузии фотоносителей, вызванной одноосной деформацией кристалла. При неоднородном сжатии и одновременном освещении полупроводника Ф. может быть обусловлена неодинаковым в разных частях кристалла изменением ширины запрещенной зоны под действием давления (тензорезистивный эффект ).

  В полупроводнике, помещенном в магнитное поле и освещенном сильно поглощающимся светом так, что градиент концентрации фотоносителей (и их диффузионный поток) возникает в направлении, перпендикулярном магнитному полю, электроны и дырки разделяются вследствие их отклонения магнитным полем в противоположных направлениях (см. Кикоина – Носкова эффект ).

  Сов. физик Б. И. Давыдов (1937) установил, что Ф. может возникать и при генерации только основных носителей заряда (или при поглощении электронами проводимости излучения), если энергия фотоносителей заметно отличается от энергии др. носителей заряда. Обычно такая Ф. возникает в чистых полупроводниках с высокой подвижностью электронов при очень низких температурах. Ф. в этом случае обусловлена зависимостью подвижности и коэффициента диффузии электронов от их энергии. Ф. этого типа имеет заметную величину в InSb n -типа, охлажденном до температуры жидкого гелия.

  При поглощении излучения свободными носителями заряда в полупроводнике вместе с энергией фотонов поглощается их импульс. В результате электроны приобретают направленное движение относительно кристаллической решётки и на гранях кристалла, перпендикулярных потоку излучения, появляется Ф. светового давления. Она мала, но вместе с тем очень мала и её инерционность (порядка 10^-11сек ). Ф. светового давления используется в быстродействующих приёмниках излучений, предназначенных для измерения мощности и формы импульсов излучения лазеров .

  Лит.: Рыбкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Тауц Ян, Фото– и термоэлектрические явления в полупроводниках, пер. с чеш., М., 1962; Фотопроводимость. Сб. ст., М., 1967.

  Т. М. Лифшиц.

Фотоэлектрическая звёздная величина

Фотоэлектри'ческая звёздная величи'на, см. Звёздная величина .

Фотоэлектрическая спектроскопия

Фотоэлектри'ческая спектроскопи'я, определение химического состава примесей в полупроводниках и изучение их энергетической структуры по спектрам примесной фотопроводимости . Примесный атом в полупроводнике может находиться в основном (невозбуждённом) или одном из возбуждённых энергетических состояний. Спектр этих состояний специфичен для каждого химического элемента примеси в данном полупроводнике. Если облучать полупроводник монохроматическим излучением, плавно изменяя частоту w, т. е. энергию фотонов (где  – Планка постоянная ), то всякий раз, когда будет совпадать с энергетическим зазором между основным и одним из возбуждённых состояний, атом примеси соответствующего сорта будет переходить в это возбуждённое состояние, поглощая фотон. Можно подобрать температуру кристалла так, что энергия его тепловых колебаний окажется достаточной для ионизации возбуждённого атома (но недостаточной для ионизации невозбуждённого атома). Тогда будет происходить двухступенчатая фототермическая ионизация примесных атомов: сначала оптическое возбуждение, а затем термическая ионизация. Её результатом является выброс электрона или дырки из атома примеси в зону проводимости и соответственно – фотопроводимость.

  Спектр примесной фотопроводимости состоит из набора пиков, каждый из которых соответствует энергии фотонов, вызывающих переход в одно из возбуждённых состояний атомов примеси определенного сорта (см. рис. ). Высоты пиков в широких пределах изменения концентраций примесей не зависят от этих концентраций. Благодаря этому Ф. с. позволяет обнаруживать ничтожно малые количества примесей. Например, в образце Ge, спектр которого приведён на рисунке, суммарная концентрация примесных атомов составляет 10^-11 % от общего числа атомов. Теоретический предел чувствительности Ф. с. ещё на несколько порядков ниже.

  Лит.: Лифшиц Т. М., Лихтман Н. П., Сидоров В. И., Фотоэлектрическая спектроскопия примесей в полупроводниках, «Письма в редакцию ЖЭТФ», 1968, т. 7, в. 3, с. 111–14; Коган Ш. М., Седунов Б. И., Фототермическая ионизация примесного центра в кристалле, «Физика твердого тела», 1966, т. 8, в. 8, с. 2382–89; Быкова Е. М., Лифшиц Т. М., Сидоров В. И., Фотоэлектрическая спектроскопия, полный качественный анализ остаточных примесей в полупроводнике, «Физика и техника полупроводников», 1973, т. 7, № 5, с. 986–88; Kogan Sh. М., Lifshits, T. М., Photoelectric Spectroscopy – a new Method of Analysis of Impurities in Semiconductors, «Physica status solidi (a)», 1977, 39, № 1, p. 11.

  Т. М. Лифшиц.

Фотоэлектрический спектр Ge с примесями B, Al, Ga.

Фотоэлектрические явления

Фотоэлектри'ческие явле'ния, электрические явления, происходящие в веществах под действием электромагнитного излучения. Поглощение электромагнитной энергии в веществе происходит всегда отдельными порциями – квантами (фотонами ), равными ( – Планка постоянная , w– частота излучения). Ф. я. возникают, когда энергия поглощённого фотона затрачивается на квантовый переход электрона в состояние с большей энергией. В зависимости от соотношения между энергией фотонов и характерными энергиями вещества (энергией возбуждения атомов и молекул, энергией их ионизации, работой выхода электронов из твёрдого тела и т.п.) поглощение электромагнитного излучения может вызывать разные Ф. я. Если энергии фотона хватает лишь для возбуждения атома, то может возникнуть изменение диэлектрической проницаемости вещества (фотодиэлектрический эффект ). Если энергия фотона достаточна для образования неравновесных носителей заряда в твёрдом теле – электронов проводимости и дырок, то изменяется электропроводность тела (см. Фотопроводимость ). В неоднородных телах, например в полупроводниках с неоднородным распределением примесей, в частности в области электронно-дырочного перехода , вблизи контакта двух разнородных полупроводников (см. Полупроводниковый гетеропереход ), контакта полупроводник – металл, или при неоднородном облучении, а также в полупроводниках, помещенных в магнитное поле, возникает электродвижущая сила (см. Фотоэдс , Кикоина – Носкова эффект ). Фотопроводимость и фотоэдс могут возникать также при поглощении фотонов электронами проводимости, в результате чего увеличивается их подвижность (см. Подвижность носителей тока ).

  Если достаточно велика для ионизации атомов и молекул газа, то происходит фотоионизация. Когда эта энергия поглощается электронами жидкости или твёрдого тела, если последние могут достичь поверхности тела и, преодолев существующий на ней потенциальный барьер , выйти в вакуум или др. среду, то возникает фотоэлектронная эмиссия . Фотоэлектронную эмиссию часто называют внешним фотоэффектом . В отличие от него, все Ф. я., обусловленные переходами электронов из связанных состояний в квазисвободные внутри твёрдого тела, объединяются термином фотоэффект внутренний .

  Следует отличать Ф. я. от электрических явлений, возникающих при нагревании тел электромагнитным излучением. Все Ф. я. обусловлены нарушением равновесия между системой электронов, с одной стороны, и атомом, молекулой или кристаллической решёткой – с другой. Неравновесное состояние электронной системы тела сохраняется некоторое время после поглощения фотона, в течение которого и могут наблюдаться Ф. я. Затем избыточная энергия электронов рассеивается (например, передаётся кристаллической решётке) и в теле устанавливается равновесие, соответствующее более высокой температуре. Ф. я. исчезают, но из-за нагревания тела в нём могут возникнуть явления, по внешним признакам аналогичные Ф. я.: болометрический эффект (изменение электропроводности), пироэлектрический эффект (см. Пироэлектрики ), термоэлектронная эмиссия , термоэдс и др. термоэлектрические явления .

  В полупроводниках и диэлектриках электронов проводимости мало, поэтому уже небольшого числа фотонов достаточно для заметного увеличения количества электронов или их энергии. Теплоёмкость же кристаллической решётки тел очень велика по сравнению с теплоёмкостью «газа» электронов проводимости. Вследствие этого в телах не очень малых размеров Ф. я. возникают при поглощении в них гораздо меньшей энергии электромагнитного излучения, чем та, которая необходима для наблюдения термоэлектрических явлений. Инерционность Ф. я. во много раз меньше инерционности термоэлектрических явлений и (в отличие от последних) не зависит от размеров тел и качества теплового контакта их с др. телами.

  В металлах из-за очень высокой электропроводности внутренний фотоэффект не наблюдается и возникает только фотоэлектронная эмиссия.

  Лит.: Рыбкин С. М., Фотоэлектрические явления в полупроводниках, М., 1963; Фотоэлектронные приборы, М., 1965; Панков Ж., Оптические процессы в полупроводниках, пер. с англ., М., 1973; Соммер А., Фотоэмиссионные материалы, пер. с англ., М., 1973.

  Т. М. Лифшиц.

Назад к карточке книги "Большая Советская Энциклопедия (ФО)"