Поглощение света и различные типы фотоэлементов

Современная физика рассматривает свет как электромагнитное излучение определенных длин волн, обладающее двойной природой. В своих проявлениях оно обнаруживает как волновые, так и корпускулярные свойства. Свет излучается и распространяется не непрерывным потоком, а отдельными, не связанными друг с другом порциями или волновыми пакетами (фотонами).

Каждый фотон является носителем определенного количества энергии. Фотоны различаются величиной своей энергии. Наибольшей величиной энергии обладает такой фотон, который соответствует излучению, характеризующемуся в волновой теории наибольшей частотой.

Если говорить только о видимом свете, наибольшей энергией обладают фотоны фиолетового света, а наименьшей - фотоны, входящие в состав потока красных лучей. Установлено, что энергия фотона е пропорциональна частоте излучения v:

(5.1)

где - постоянная Планка

Корпускулярная структура электромагнитного излучения тем легче обнаруживается, чем больше энергия фотона е, т. е. чем больше частота v.

В потоке рентгеновских или γ -лучей практически проявляются в основном корпускулярные свойства. Чем меньше энергия фотонов е, т. е. чем меньше частота v, тем в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Поток длинноволнового излучения (радиоволн) легко обнаруживает лишь свои волновые свойства и практически не обнаруживает корпускулярных.

Видимый свет занимает очень узкий интервал частот или длин воли на шкале электромагнитного излучения: 0, 4-0, 8 мк. Описывая физические явления, происходящие при падении на поверхность полупроводника видимого излучения, последнее можно рассматривать как поток фотонов различных энергий. Если поток фотонов попадает на поверхность какого-нибудь металла, то часть фотонов отражается от поверхности, а оставшаяся часть поглощается металлом.

Поглощенные фотоны будут отдавать свою энергию кристаллической решетке металла и свободным электронам, увеличивая амплитуду колебаний решетки и скорость хаотического движения свободных электронов. Если энергия фотона велика, то она может оказаться достаточной, чтобы выбить электрон из металла, т. е. сообщить ему в энергию, равную или большую, чем работа выхода φ (рис.5.1, а).

Рисунок 5.1 Схема фотоэффекта в металлах и полупроводниках

Это явление называется внешним фотоэффектом. Если же поглощенный фотон обладает энергией, недостаточной, чтобы выбить электрон из металла, его энергия пойдет в конечном счете целиком на нагрев металла. Иную картину наблюдаем мы при воздействии потока фотонов на полупроводник.

В отличие от металлов кристаллические полупроводники в чистом виде (без примесей), если на них не воздействуют никакие внешние факторы (температура, электрическое поле, излучение света т. п .), не имеют свободных электронов, т. е. электронов, оторванных от атомов кристаллической решетки полупроводника. Однако, поскольку полупроводниковый материал всегда находится под воздействием какой-то температуры (чаще всего комнатной), небольшая часть электронов, связанных с атомами, может за счет тепловых колебаний приобрести энергию, достаточную для отрыва их от атомов. Такие электроны становятся свободными и могут принимать участие в переносе электричества.

Атом полупроводника, лишившийся электрона, приобретает положительный заряд, равный заряду электрона. Однако место в атоме, не занятое электроном, может быть занято электроном соседнего атома. При этом первый атом становится нейтральным, а соседний положительно заряженным.

Освободившееся в связи с образованием свободного электрона место в атоме равноценно положительно заряженной частице, названной дыркой. Дырки тоже могут участвовать в процессе прохождения электрического тока.

Энергия, которой обладают электроны в связанном с атомами состоянии, обусловливает нахождение их в пределах так называемой заполненной энергетической зоны или зоны валентных связей (зона 2 на рис. 5.1). Энергия свободного электрона относительно велика, поэтому он находится в более высокой энергетической зоне—зоне проводимости (зона 1 на рис. 5.1, 6).

Между заполненной зоной и зоной проводимости имеется зона запрещенных энергий (зона 1на рис.5.1, 6), т. е. зона таких значений энергий, которые электроны данного полупроводникового материала не могут иметь ни в связанном, ни в свободном состоянии. Ширина этой запрещенной зоны у разных полупроводников различна. Например, для германия она равна 0, 7 эв (электроновольт), а для кремния — 1, 12 эв.

Дырки находятся в заполненной зоне, так как их образование возможно только в атомах кристаллической решетки полупроводника.

Количество свободных электронно-дырочных пар может резко возрасти при освещении поверхности полупроводника. Это объясняется тем, что энергия некоторых фотонов оказывается достаточной для отрыва электронов от атомов и переброски их из заполненной зоны в зону проводимости. Это явление называется внутренним фотоэффектом.

Условием осуществления внутреннего фотоэффекта является соотношение

E_g, (5.2)

где E_g - ширина запрещенной зоны.

Увеличение концентрации электронов и дырок приводит к возрастанию проводимости полупроводникового материала. Возникающая под действием внешних факторов проводимость тока в чистом монокристаллическом полупроводнике называется собственной проводимостью, так как она обусловлена только возбужденным состоянием атомов самого полупроводника.

С исчезновением внешних воздействий свободные электронно-дырочные шары исчезают (рекомбинируют друг с другом) и собственная проводимость стремится к нулю.

Существует также явление внешнего фотоэффекта с полупроводника. Но оно носит более сложный характер, чем в случае металла.

Для создания в полупроводнике внешнего фотоэффекта необходимо, чтобы энергия поглощенного кванта была достаточной для выброса электрона из заполнен­ной зоны, и удаления его из полупроводника.

Таким образом, внешний фотоэффект с полупроводников происходит под воздействием излучения с частотой, значительно большей, чем частота света, при которой наблюдается внутренний фотоэффект.

Доля такого высокочастотного излучения в общем падающем солнечном излучении относительно невелика, поэтому внешние фототоки с обычных полупроводников малы.

Преобразование света в электрическую энергию связано только с внутренним фотоэффектом.

Идеально чистых полупроводниковых материалов, которые обладали бы одной лишь собственной проводимостью, не существует. Обычно полупроводник обладает каким-то вполне определенным типом проводимости: или только дырочным (р -тип), или только электронным (п -тип). Тип проводимости полупроводника определяется валентностью внедренной в его кристалличе­скую решетку активной примеси.

Для кремния активными примесями будут являться элементы, входящие в третью (бор, алюминий, галлий, индий, таллий) или пятую (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут) группы периодической таблицы Менделеева. Сам же кремний относится к четвертой группе периодической таблицы.