Вентильный фотоэффект (фотоэффект в запирающем слое)

Вентильным фотоэффектом называется возникновение электродвижущей силы при поглощении квантов излучения оптического диапазона в системе, содержащей контакт двух примесных полупроводников с различным типом проводимости или в системе полупроводник - металл.

На рис. 3 показана энергетическая диаграмма p-n перехода без освещения (E_c, E_v и E_F - энергии дна зоны проводимости, потолка валентной зоны и уровня Ферми, соответственно, E_g -ширина запрещенной зоны).

Рис.3. Энергетическая диаграмма p-n перехода без освещения.

Рис.4. Энергетическая диаграмма p-n перехода при освещении.

При освещении такой системы фотонами с энергией hn > E_g , поглощенный свет переводит электроны из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне образуются дырки, т.е. происходит генерация электронно - дырочных пар (рис.4). Поведение неравновесных носителей зависит от того, в какой области системы поглощается излучение. Для каждой области важным является поведение неосновных носителей, поскольку именно их плотность может изменяться в широких пределах при освещении. Плотность же основных носителей с обеих сторон границы раздела полупроводников практически остается неизменной. Если излучение поглощается в p-области, то электроны, находящиеся от p-n перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины пробега, смогут достигнуть его и под действием контактного электрического поля перейдут в n-область.

Аналогично, если излучение поглощается в n-области, то через p-n переход в p-область выбрасываются только дырки.

Если же пары генерируются в области объемного заряда (р-n перехода), то поле "разводит" носители зарядов таким образом, что они оказываются в той области, где являются основными.

Итак, образованные светом пары, будут разделяться. При этом электроны концентрируются в n-полупроводнике, а дырки - в p-полупроводнике, т.е. p-n переход играет роль "стока" неосновных носителей заряда.

Это накопление зарядов не может продолжаться бесконечно: параллельно с возрастанием концентрации дырок в p-полупроводнике и электронов в n-полупроводнике, возрастает созданное ими электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу неосновных носителей через запирающий слой.

По мере возрастания этого поля увеличивается и обратный поток неосновных носителей. В конце концов наступит динамическое равновесие, при котором число неосновных носителей, перемещающихся за единицу времени через запирающий слой, сравняется с числом тех же носителей, перемещающихся за тот же промежуток времени в обратном направлении.

С наступлением равновесия, между p- и n-полупроводниками устанавливается разность потенциалов, представляющая собой фотоэлектродвижущую силу.

Генерация вентильной фото-ЭДС при освещении p-n перехода используется для создания фотоприемников, работающих в вентильном режиме и фотоэлектрических преобразователей энергии (например, солнечных батарей).