Оптика твердого тела и систем пониженной размерности (стр. 24 )

Величина фото-ЭДС Дембера в большинстве полупроводников обычно достаточно мала при непрерывном освещении. Так, при Т=300 К,  =0.026 В, а значит ~10-2 В. Однако при интенсивном фотовозбуждении материалов с большим различием и величина может достигать 0.1-0.5 В. Так, например, в c-Si : b≈3 и при наносекундном лазерном облучении могут достигаться уровни возбуждения ~1019 см-3, а значит для собственного или слаболегированного материала (~1013-1014 см-3): = 0.2-0.3 В при комнатной температуре. Как видно из формулы (5-37а), с ростом температуры величина линейно возрастает. Однако параметр b также зависит от температуры, что определяет более сложную температурную зависимость фото-ЭДС Дембера.

5.3.2. Поверхностная фото-ЭДС

Известно, что на поверхности полупроводников присутствуют заряженные поверхностные состояния, что является причиной изгиба энергетических зон в приповерхностной области и связанного с ним встроенного электрического поля. На  рис. 5.8 в качестве примера схематично изображена картина поверхностного изгиба зон и напряженности встроенного электрического поля (сплошные жирные линии) в невырожденном полупроводнике п-типа. В равновесии заряд поверхностных  состояний компенсирован зарядом области пространственного заряда (ОПЗ). При поглощении света  в ОПЗ возникающие носители заряда разделяются в поле , что приводит к экранированию данного поля и уменьшению изгиба зон.

Поверхностной называется фото-ЭДС, возникающая при разделении фотовозбужденных носителей заряда в электрическом поле приповерхностной области полупроводника. Величина поверхностной фото-ЭДС , очевидно, зависит от концентрации фотовозбужденных носителей заряда, но не может превышать исходный изгиб зон  eφ0.

Для количественного определения поверхностной фото-ЭДС удобно ввести безразмерный поверхностный  потенциал . Интегрируя равнение Пуассона (5-7), получим:

,                                (5-38)

где – дебаевская длина экранирования в собственном полупроводнике, – концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике, – степень несобственности полупроводника, – уровень фотовозбуждения (инжекции), а функция пропорциональна величине заряда в ОПЗ () и  равна

               (5-39)

Если 0, то Y=Y0  и . Следовательно, получим:

                               (5-40)

Выражение (5-40а) часто записывают в виде так называемой формулы Джонсона:

                               (5-40а)

Если известны и  Y0,  то формулы (5-40) или (5-40а) позволяют рассчитать значение Y, а значит и определить величину поверхностной фото-ЭДС:

                               (5-41)

Максимальное значение достигается при достаточно высоких уровнях инжекции, которые для невырожденных полупроводников составляют =103-104, а для сильнолегированных материалов даже превышают указанные значения. Схематично зависимость величины поверхностной фото-ЭДС от уровня инжекции представлена на рис. 5.8.

5.3.3. Барьерная (вентильная) фото-ЭДС в р-п-переходе

Данный вид фото-ЭДС наблюдается при разделении фотовозбужденных носителей заряда в электрическом поле р-п-перехода. Возникающая при разделении заряда разность потенциалов V уменьшает высоту барьера до уровня (см. рис. 5.9). Вольт-амперная характеристика р-п-перехода описывается уравнением:

       ,                        (5-42)

где – ток насыщения, обусловленный тепловой генерацией носителей, а положительные значения V соответствуют прямому смещению.

Пусть имеет место однородная фотогенерация носителей заряда. В этом случае избыточные электроны и дырки «втягиваются» в область  р-п-перехода с расстояний порядка длин диффузии и . В результате, ток короткого замыкания равен:

,                (5-43)

где А – площадь р-п-перехода, – темп поверхностной генерации (см. п.5.2.2).

Если р-п-переход замкнут на некоторую нагрузку, то протекает ток:

                                       (5-44)

С учетом (5-43) получим различные зависимости в темновых условиях и при фотовозбуждении (рис. 5.10).

При разомкнутой внешней цепи получим напряжение холостого хода, являющееся количественной мерой барьерной фото-ЭДС:

                       (5-45)

Зависимости  и    от имеют вид, как показано на рис. 5.11. Видно, что фототок в р-п-переходе зависит линейно от интенсивности освещения (в пренебрежении нелинейными механизмами рекомбинации), а напряжение холостого хода и фото-ЭДС демонстрируют сублинейную зависимость с выходом на некоторые стационарные значения, ограниченные, очевидно, величиной барьера.

Спектральные характеристики барьерной фото-ЭДС для каждого конкретного полупроводника определяются спектром коэффициента поглощения , величиной скорости поверхностной рекомбинации и эффектом Франца-Келдыша, изменяющем спектр в электрическом поле. Для уменьшения потерь вследствие поверхностной рекомбинации используют гетеро-р-п-переходы (см. рис. 5.12).

В гетеропереходе свет с энергией не поглощается в широкозонной приповерхностной области. Следовательно, отсутствует поверхностная рекомбинация на освещенной поверхности. В такой структуре наиболее эффективно используются фотоны с . Гетеропереходы используются для уменьшения потерь на поверхностную рекомбинацию в некоторых видах солнечных элементов. Помимо солнечных элементов барьерная фото-ЭДС является основой функционирования фотодиодов, применяемых для детектирования оптического излучения.