Принцип действия фотоэлемента с запирающим слоем

В настоящей установке используется вентильный режим работы фотоэлемента, т. е. без внешнего источника напряжения. Образованные под действием света в области запорного слоя полупроводника электронно-дырочные пары (явление внутреннего фотоэффекта) разделяются электрическим полем этого слоя таким образом, что электроны переходят в металл, а дырки остаются в полупроводнике (рис. 2). Поэтому полупроводник заряжается положительно относительно металла, что эквивалентно образованию дополнительного напряжения, включенного в прямом направлении. Это напряжение называется фотоэдс. В работе измеряется фототок в цепи, нагрузочным сопротивлением которой служит сопротивление гальванометра. Поскольку оно мало, то этот ток можно считать током короткого замыкания фотоэлемента.

При внутреннем фотоэффекте в полупроводниках происходит поглощение фотона с энергией, достаточной для перехо­да электрона из валентной зоны в свободную зону, что приводит к образованию пары электрон-дырка. Число электронно-дырочных пар, генерируемых в единичном объеме полупроводника за одну секунду фотонами с энергией по определению есть скорость генерации G. Получим выражение для скорости генерации.

Известно, что интенсивность монохроматического света I на глубине х связана с интенсивностью на поверхности полупроводника I соотношением

, (2)

где —линейный показатель поглощения света. Количество световой энергии, поглощаемой за 1 с в слое единичной пло­щади толщиной dx определится как

. (3)

Энергия, поглощаемая в единичном объеме за 1 с тогда равна

. (4)

Число поглощенных квантов в единичном объеме за 1 с определится отношением .

Число электронно-дырочных пар, образуемых одним квантом света, называется квантовым выходом. Тогда скорость генерации G на расстоянии х от поверхности полупроводника может быть выражена как

. (5)

Здесь было предположено, что отражения от поверхности полупроводника нет.

Из этого выражения видно, что G наиболее сильно зависит от , а так как зависит от энергии квантов падающего излучения, то скорость генерации различна для разных длин волн последнего.

При собственном поглощении света (рис. 3, переходы 1, 2) полупроводником показатель поглощения велик, и мы можем принять, что вся световая энергия поглощается в области запирающего слоя x . Минимальная энергия фотонов, при которой начинается собственное поглощение в полупроводниках, определяется минимальным энергетическим зазором между валентной и свободной зоной, т. е. шириной запрещенной зоны. Форма края кривой собственного поглощения зависит от вероятности переходов и плотности начальных и конечных электронных состояний. Длинноволновый край собственного поглощения неметаллических кристаллов из-за наличия экситонного поглощения и возможных непрямых переходов обычно “размыт”, поэтому для оценки ширины запрещенной зоны часто используют значение энергии кванта света, полученное путем экстраполяции спектральной характеристики коэффициента поглощения в область малых энергий фотона.

Естественно, что по мере роста энергии фотона при его поглощении вероятность перехода электрона из валентной зоны в свободную должна возрастать, что ведет к увеличению фототока. Однако, при возрастании энергии фотона (уменьшении длины волны) поглощение света происходит во все более тонком приповерхностном слое полупроводника, где велики концентрация электронов и плотность поверхностных центров рекомбинации. Первая снижает вероятность образования пары электрон-дырка, вторая усиливает процессы поверхностной рекомбинации носителей заряда. То и другое приводят к “завалу” спектральной характеристики тока фотопроводимости в области больших энергий фотона.