אפקט פוטו וולטאי וזנייו
בפעם הראשונה, מה שנקרא אפקט פוטו-וולטאי (או פוטו-וולטאי) נצפה בשנת 1839 על ידי הפיזיקאי הצרפתי אלכסנדר אדמונד בקארל.
בניסוי במעבדה של אביו, הוא גילה שעל ידי הארת לוחות פלטינה טבולים בתמיסה אלקטרוליטית, גלוונומטר המחובר לצלחות הצביע על נוכחות של כוח חשמלי... עד מהרה אדמונד בן ה-19 מצא יישום שימושי לגילוי שלו - הוא יצר אקטינוגרף - מכשיר לתיעוד עוצמת האור הנובע.
כיום, השפעות פוטו-וולטאיות כוללות קבוצה שלמה של תופעות, בדרך זו או אחרת, הקשורות להופעת זרם חשמלי במעגל סגור, הכולל מוליך למחצה או מדגם דיאלקטרי מואר, או תופעת EMF על מדגם מואר, אם המעגל החיצוני פתוח. במקרה זה, שני סוגים של אפקטים פוטו-וולטאיים מובחנים.
הסוג הראשון של אפקטים פוטו-וולטאיים כוללים: פוטו-EMF חשמלי גבוה, פוטו-EMF בנפח, פוטו-EMF של שסתומים, כמו גם אפקט פוטו-אפיזואלקטרי ואפקט דמבר.
השפעות פוטו-וולטאיות מהסוג השני כוללות: השפעת הסחף של אלקטרונים על ידי פוטונים, וכן השפעות פוטו-וולטאיות משטחיות, מעגליות וליניאריות.
השפעות מהסוג הראשון והשני
השפעות פוטו-וולטאיות מהסוג הראשון נגרמות מתהליך שבו אפקט אור מייצר נושאי מטען חשמליים ניידים של שני תווים - אלקטרונים וחורים, מה שמוביל להפרדתם בחלל הדגימה.
אפשרות ההפרדה קשורה במקרה זה או לאי-הומוגניות של הדגימה (המשטח שלה יכול להיחשב כאי-הומוגניות של הדגימה) או לאי-הומוגניות של ההארה כאשר האור נספג קרוב לפני השטח או כאשר רק חלק ממנו משטח המדגם מואר, כך שה-EMF מתעורר עקב עלייה במהירות התנועה התרמית של אלקטרונים בהשפעת האור הנופל עליהם.
השפעות פוטו-וולטאיות מהסוג השני קשורות לאסימטריה של התהליכים היסודיים של עירור נושאי מטען על ידי אור, אסימטריה של פיזורם ושילובם מחדש.
אפקטים מסוג זה מופיעים ללא היווצרות נוספת של זוגות של נושאי מטען מנוגדים, הם נגרמות על ידי מעברים בין פסים או יכולים להיות קשורים לעירור של נושאי מטען על ידי זיהומים, בנוסף, הם יכולים להיגרם על ידי בליעת אנרגיית האור על ידי נושאי תשלום חינם.
לאחר מכן, בואו נסתכל על המנגנונים של אפקטים פוטו-וולטאיים. תחילה נסתכל על אפקטים פוטו-וולטאיים מהסוג הראשון, ולאחר מכן נפנה את תשומת הלב לאפקטים של הסוג השני.
אפקט עבה יותר
אפקט דמבר יכול להתרחש תחת תאורה אחידה של המדגם, פשוט בגלל ההבדל בשיעורי הרקומבינציה של פני השטח בצדדים ההפוכים שלה. עם תאורה לא אחידה של המדגם, אפקט דמבר נגרם מההבדל במקדמי הדיפוזיה (הבדל בניידות) של אלקטרונים וחורים.
אפקט דמבר, המופעל על ידי תאורה מפעימה, משמש ליצירת קרינה בטווח הטרה-הרץ. אפקט דמבר בולט ביותר במוליכים למחצה בעלי תנועתיות אלקטרונית גבוהה, צר-פער כגון InSb ו-InAs.[banner_adsense]
צילום מחסום-EMF
השער או המחסום photo-EMF נובע מהפרדה של אלקטרונים וחורים על ידי שדה חשמלי של מחסום שוטקי במקרה של מגע מתכת מוליכים למחצה, כמו גם השדה p-n-צומת או הטרוג'נקשן.
הזרם כאן נוצר על ידי תנועה של שני נושאי מטען הנוצרים ישירות באזור ה-pn-צומת, וגם אותם נשאים שמתרגשים באזורים הקרובים לאלקטרודה ומגיעים לאזור השדה החזק על ידי דיפוזיה.
הפרדת זוג מקדמת את היווצרות זרימת חורים באזור p וזרימת אלקטרונים באזור n. אם המעגל פתוח, אז ה-EMF פועל בכיוון הישיר עבור צומת p-n, כך שהפעולה שלו מפצה על התופעה המקורית.
השפעה זו היא הבסיס לתפקוד תאים סולאריים וגלאי קרינה רגישים במיוחד עם תגובה נמוכה.
צילום נפחי-EMF
Bulk photo-EMF, כפי ששמו מרמז, נוצר כתוצאה מהפרדה של זוגות של נושאי מטען בחלק הארי של הדגימה באי-הומוגניות הקשורות לשינוי בריכוז החומר הדו-חומר או לשינוי בהרכב הכימי (אם המוליך למחצה מורכב).
כאן, הסיבה להפרדה של הזוגות היא מה שנקרא שדה חשמלי נגדי שנוצר על ידי שינוי במיקום רמת הפרמי, אשר בתורו תלוי בריכוז הטומאה. או, אם אנחנו מדברים על מוליך למחצה עם הרכב כימי מורכב, פיצול הזוגות נובע משינוי ברוחב הפס.
התופעה של הופעת פוטואלקטריים בתפזורת חלה על בדיקה של מוליכים למחצה כדי לקבוע את מידת ההומוגניות שלהם. עמידות המדגם קשורה גם לאי-הומוגניות.
photo-EMF במתח גבוה
צילום EMF חריג (מתח גבוה) מתרחש כאשר תאורה לא אחידה גורמת לשדה חשמלי המכוון לאורך פני הדגימה. גודל ה-EMF המתקבל יהיה פרופורציונלי לאורך האזור המואר ועלול להגיע ל-1000 וולט או יותר.
המנגנון יכול להיגרם על ידי אפקט דמבר, אם לזרם המפוזר יש רכיב מכוון פני השטח, או על ידי היווצרות של מבנה p-n-p-n-p המבצבץ אל פני השטח. EMF במתח גבוה המתקבל הוא ה-EMF הכולל של כל זוג של צמתים n-p ו-p-n אסימטריים.
אפקט פוטואפיזואלקטרי
האפקט הפוטו-אפיזואלקטרי הוא התופעה של הופעת זרם פוטו או פוטו-אמף במהלך דפורמציה של המדגם. אחד המנגנונים שלו הוא הופעת EMF בתפזורת במהלך דפורמציה לא הומוגנית, המובילה לשינוי בפרמטרים של המוליך למחצה.
מנגנון נוסף להופעת EMF פוטו-אפיזואלקטרי הוא EMF רוחבי Dember, המתרחש תחת עיוות חד-צירי, הגורם לאנזיטרופיה של מקדם הדיפוזיה של נושאי מטען.
המנגנון האחרון הוא היעיל ביותר בדפורמציות מוליכים למחצה מרובי-עמקים, מה שמוביל לחלוקה מחדש של נשאים בין העמקים.
בדקנו את כל ההשפעות הפוטו-וולטאיות מהסוג הראשון, ואז נבחן את ההשפעות המיוחסות לסוג השני.
השפעת משיכת האלקטרונים על ידי פוטונים
השפעה זו קשורה לאסימטריה בהתפלגות הפוטואלקטרונים על התנע המתקבל מהפוטונים. במבנים דו מימדיים עם מעברי מיני-פס אופטיים, זרם הפוטו הזזה נגרם בעיקר ממעברי אלקטרונים בעלי כיוון תנע מסוים והוא יכול לחרוג משמעותית מהזרם המקביל בגבישים בתפזורת.
אפקט פוטו-וולטאי ליניארי
אפקט זה נובע מהתפלגות א-סימטרית של פוטו-אלקטרונים במדגם. כאן, האסימטריה נוצרת על ידי שני מנגנונים, הראשון שבהם הוא בליסטי, הקשור לכיווניות של הדופק במהלך המעברים הקוונטיים, והשני הוא גזירה, עקב הסטת מרכז הכובד של חבילת הגל של אלקטרונים במהלך המעברים הקוונטיים.
האפקט הפוטו-וולטאי הליניארי אינו קשור להעברת המומנטום מפוטונים לאלקטרונים, לכן, בקיטוב ליניארי קבוע, הוא אינו משתנה כאשר כיוון התפשטות האור מתהפך.תהליכי בליעת האור והפיזור והריקומבינציה תורמים ל- זרם (תרומות אלו מתוגמלות בשיווי משקל תרמי).
אפקט זה, המוחל על דיאלקטריות, מאפשר ליישם את מנגנון הזיכרון האופטי, מכיוון שהוא מוביל לשינוי במקדם השבירה, התלוי בעוצמת האור, ונמשך גם לאחר כיבויו.
אפקט פוטו-וולטאי מעגלי
האפקט מתרחש כאשר הוא מואר באור מקוטב אליפטי או מעגלי מגבישים ג'ירוטרופיים. ה-EMF הופך את הסימן כאשר הקיטוב משתנה. הסיבה להשפעה נעוצה בקשר בין ספין לתנע האלקטרונים, הטבוע בגבישים ג'ירוטרופיים. כאשר אלקטרונים נרגשים על ידי אור מקוטב מעגלי, הספינים שלהם מכוונים אופטית, ובהתאם מתרחשת דופק זרם כיווני.
נוכחות האפקט ההפוך מתבטאת בהופעת פעילות אופטית תחת פעולת זרם: הזרם המועבר גורם לכיוון הספינים בגבישים ג'ירוטרופיים.
שלושת האפקטים האחרונים משמשים במקלטי אינרציה. קרינת לייזר.
אפקט פוטו-וולטאי על פני השטח
האפקט הפוטו-וולטאי של פני השטח מתרחש כאשר האור מוחזר או נספג על ידי נושאי מטען חופשיים במתכות ובמוליכים למחצה עקב העברת התנע מפוטונים לאלקטרונים בזמן שכיחות אלכסונית של אור וגם בזמן שכיחות רגילה אם הנורמלי לפני השטח של הגביש שונה ב כיוון מאחד מצירי הקריסטל העיקריים.
ההשפעה מורכבת מתופעת פיזור של נושאי מטען מעוררי אור על פני הדגימה. במקרה של ספיגה בין פסים, היא מתרחשת בתנאי שחלק ניכר מהנשאים הנרגשים מגיעים אל פני השטח ללא פיזור.
אז כאשר האלקטרונים מוחזרים מהמשטח, נוצר זרם בליסטי, המכוון בניצב לפני השטח. אם, עם עירור, האלקטרונים מסתדרים באינרציה, עלול להופיע זרם המכוון לאורך פני השטח.
התנאי להתרחשות האפקט הזה הוא ההבדל בסימן של הרכיבים הלא-אפס של ערכי התנע הממוצעים "לכיוון פני השטח" ו"מהשטח" עבור אלקטרונים הנעים לאורך פני השטח. התנאי מתקיים, למשל, בגבישים מעוקבים, עם עירור של נושאי מטען מרצועת הערכיות המנוונת לפס ההולכה.
בפיזור מפוזר על ידי משטח, אלקטרונים המגיעים אליו מאבדים את מרכיב התנע לאורך פני השטח, בעוד אלקטרונים המתרחקים מהמשטח שומרים עליו. זה מוביל להופעת זרם על פני השטח.