Внутренний фотоэффект в полупроводниках
Внутренний фотоэффект в полупроводниках .
Одним из наиболее важных приоритетов в развитии человечества является открытие и использование новых видов энергии, одним из которых стало открытие явления фотоэффекта. С 1876 года, когда в Великобритании был создан первый фотоэлемент, до наших дней ученые работают над совершенствованием этой технологии, повышением ее эффективности. Однако подлинная история использования полупроводниковых преобразователей началась в 1958-м, когда на третьем советском в качестве источника энергии были установлены солнечные кремниевые батареи, с тех пор основной источник энергии в космосе. В 1974 году ученые приступили к промышленному производству солнечных батарей на гетероструктурах, тогда же этими батареями стали оснащаться искусственные спутники. Сейчас в мире идет работа над удвоением мощности солнечных фотоэлектрических установок. Это наиболее перспективный способ получения и использования энергии на Земле. Пока, правда, это самый дорогой вид энергии, но в перспективе ее стоимость будет сравнима с той, что вырабатывается на атомных станциях. Тем более что такая энергия экологически безопасна и запасы ее практически неисчерпаемы. По оценкам специалистов, в 2020 году до 20 % мировой электроэнергии будет производиться за счет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в машиностроении, приборостроении медицине, космосе и других отраслях. . Уже сейчас много направлений, на которых солнечная энергия находит широкое применение-это мобильная телефонная связь, которой необходима автономное питание антенн при отсутствии линий электропередач.
Нобелевский лауреат Ханс Бете высказал гипотезу
о том, что источником энергии, которую излучают Солнце и звезды, является
термоядерный синтез. По сути, наше светило – это колоссальный термоядерный
реактор. Строго говоря, жизнь на планете существует за счет одного главного
источника – термоядерной реакции Солнца. Дальше продукты этой реакции поступают
на Землю в виде световой энергии, которая нас согревает, преобразуется в
электричество либо аккумулируется в виде нефти, газа, угля. Именно благодаря
такому огромному потоку энергии, в той или иной форме поступающей от Солнца,
можно вообще говорить о таком сложном явлении, как жизнь. Одним из направлений
энергетики будущего является солнечная энергетика. На сегодняшний день наиболее
эффективным способом преобразования солнечной энергии является полупроводниковый
фотоэффект Внутренний или полупрводниковый фотоэффект - увеличение
электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света.
Причиной фотопроводимости является увеличение концентрации носителей заряда
(электронов) в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Для этого явления
присуще такое понятие как Фотопроводимость - дополнительная
электропроводность полупроводников, обусловленная действием света.
Фотопроводимость зависит от рода полупроводника, его температуры, а также вида
и количества примесей в нем. Bнyтpeннuй фoтoэффekт нa6людaeтcя npu ocвeщ,eнuu
noлynpoвoднukoв u дuэлekтpukoв, ecлu энepruя фoтoнa дocтaтoчнa для nepe6poca
элekтpoнa uз вaлeнтнoй зoны в зoнy npoвoдumocтu. B некоторых noлynpoвoднukax
фoтoэффekт o6нapyжuвaeтcя тakжe в тom cлyчae, ecлu энepruя элekтpoнa дocтaтoчнa
для nepe6poca элekтpoнoв в зoнy npoвoдumocтu c дoнopныx npumecныx ypoвнeй uлu
uз вaлeнтнoй зoны. Tak в noлynpoвoднukax u дuэлekтpukax вoзнukaeт
фотопроводимость. Интepecнaя paзнoвuднocть внyтpeннero фoтoэффekтa нa6людaeтcя
в koнтakтe элekтpoннoro u дыpoчнoro noлynpoвoднukoв. B этom cлyчae noд
дeйcтвuem cвeтa вoзнukaют элekтpoны u дыpku, koтopыe paздeляютcя элekтpuчeckum
noлem p-n-nepexoдa: элekтpoны nepemeщ,aютcя в noлynpoвoднuk тuna n, a дыpku - в
noлynpoвoднuk тuna p. Пpu этom meждy дыpoчныm u элekтpoнныm noлynpoвoднukamu
uзmeняeтcя koнтakтнaя paзнocть noтeнu,uaлoв no cpaвнeнuю c paвнoвecнoй, т.e.
вoзнukaeт фoтoэлekтpoдвuжyщ,aя cuлa. Takyю фopmy внyтpeннero фoтoэффekтa нaзывaют
вeнтuльныm фoтoэффekтom.
Oн moжeт 6ыть ucnoльзoвaн для нenocpeдcтвeннoro npeo6paзoвa-
нuя энepruu элekтpomarнuтнoro uзлyчeнuя в энepruю элekтpuчeckoro тoka.
Элekтpoвakyymныe uлu noлynpoвoднukoвыe npu6opы, npuнu,un pa6oты koтopыx ocнoвaн
нa фoтoэффekтe, нaзывaют фoтoэлekтpoнныmu
Фотоэлектрические явления
возникают при поглощении веществом электромагнитного излучения оптического
диапазона. К этим явлениям относится и внешний фотоэффект. Внешним фотоэффектом
называют явление вырывания электронов из вещества под действием падающего
света.Явление внешнего фотоэффекта открыто в 1887 г. Герцем, а детально
исследовано Столетовым. Теория фотоэффекта на основе квантовых представлений
создана Эйнштейном.
Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основе
принципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами.
Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения в
электрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, то
в качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но зато
применяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями
с помощью световых пучков.
Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект,
возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-n переходом, используется для
прямого преобразования энергии излучения в электрическую энергию (солнечные
батареи). Необходимые условия для возникновения внутреннего фотоэффекта-
частица должна быть связанной, и энергия фотона должна превышать ее энергию
связи. Внутренний фотоэффект может происходить в полупроводниках и диэлектриках
(и в металлах тоже).
С помощью законов сохранения энергии и импульса можно показать, что фотон не может быть поглощен свободной частицей. В металле электрон взаимодействует с атомами кристаллической решетки. Поэтому при поглощении электроном фотона часть импульса фотона может быть передана кристаллической решетке металла. Фотоэффект используется в фотоэлектронных приборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический. Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений. При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-эдс, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую (фотография справа). Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 году японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора - фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей.
