تأثير الخلايا الضوئية وأنواعها

لأول مرة ، لوحظ ما يسمى بالتأثير الكهروضوئي (أو الكهروضوئية) في عام 1839 من قبل الفيزيائي الفرنسي ألكسندر إدموند بيكريل.

أثناء تجربته في مختبر والده ، اكتشف أنه من خلال إضاءة صفائح البلاتين المغمورة في محلول إلكتروليتي ، يشير الجلفانومتر المتصل بالصفائح إلى وجود القوة الدافعة الكهربائية... سرعان ما وجد إدموند البالغ من العمر تسعة عشر عامًا تطبيقًا مفيدًا لاكتشافه - فقد ابتكر مخطط الأكتينوغراف - وهو جهاز لتسجيل شدة الضوء الساقط.

اليوم ، تشمل التأثيرات الكهروضوئية مجموعة كاملة من الظواهر ، بطريقة أو بأخرى ، تتعلق بظهور تيار كهربائي في دائرة مغلقة ، والتي تتضمن أشباه موصلات مضيئة أو عينة عازلة ، أو ظاهرة EMF على عينة مضيئة ، إذا كان الدائرة الخارجية مفتوحة. في هذه الحالة ، يتم تمييز نوعين من التأثيرات الكهروضوئية.

النوع الأول من التأثيرات الكهروضوئية يشمل: صورة كهربائية عالية - EMF ، حجم الصورة - EMF ، صورة الصمام - EMF ، بالإضافة إلى التأثير الكهروضوئي وتأثير Dember.

تشمل التأثيرات الكهروضوئية من النوع الثاني: تأثير انحباس الإلكترونات بواسطة الفوتونات ، وكذلك التأثيرات الضوئية السطحية والدائرية والخطية.

تأثيرات النوع الأول والثاني

تحدث التأثيرات الكهروضوئية من النوع الأول بسبب عملية يولد فيها تأثير الضوء حاملات شحن كهربائية متحركة من حرفين - إلكترونات وثقوب ، مما يؤدي إلى فصلها في فضاء العينة.

ترتبط إمكانية الفصل في هذه الحالة إما بعدم تجانس العينة (يمكن اعتبار سطحها على أنه عدم تجانس العينة) أو عدم تجانس الإضاءة عند امتصاص الضوء بالقرب من السطح أو عند جزء فقط من يضيء سطح العينة ، لذلك تنشأ EMF بسبب زيادة سرعة الحركة الحرارية للإلكترونات تحت تأثير الضوء الساقط عليها.

ترتبط التأثيرات الكهروضوئية من النوع الثاني بعدم تناسق العمليات الأولية لإثارة حاملات الشحنة بالضوء ، وعدم تناسق تشتتها وإعادة تركيبها.

تظهر تأثيرات من هذا النوع بدون تكوين إضافي لأزواج ناقلات الشحنة المعاكسة ، وهي ناتجة عن انتقالات بين النطاقات أو يمكن أن تكون مرتبطة بإثارة ناقلات الشحنة بواسطة الشوائب ، بالإضافة إلى أنها يمكن أن تكون ناجمة عن امتصاص الطاقة الضوئية بواسطة ناقلات الشحن المجاني.

بعد ذلك ، دعونا نلقي نظرة على آليات التأثيرات الكهروضوئية. سننظر أولاً في التأثيرات الكهروضوئية من النوع الأول ، ثم نوجه انتباهنا إلى تأثيرات النوع الثاني.

تأثير سمكا

يمكن أن يحدث تأثير Dember تحت إضاءة موحدة للعينة ، وذلك ببساطة بسبب الاختلاف في معدلات إعادة التركيب السطحي على جوانبها المتقابلة. مع الإضاءة غير المتساوية للعينة ، يحدث تأثير Dember بسبب الاختلاف في معاملات الانتشار (الاختلاف في التنقل) للإلكترونات والثقوب.

يتم استخدام تأثير Dember ، الذي بدأ عن طريق الإضاءة النبضية ، لتوليد إشعاع في نطاق تيراهيرتز. يكون تأثير Dember أكثر وضوحًا في أشباه الموصلات ذات الفجوات الضيقة والحركية العالية للإلكترون مثل InSb و InAs. [banner_adsense]

صورة الحاجز EMF

تنتج صورة البوابة أو الحاجز EMF عن فصل الإلكترونات والثقوب بواسطة مجال كهربائي من حاجز شوتكي في حالة التلامس مع أشباه الموصلات المعدنية ، وكذلك المجال السندات الإذنية تقاطع أو غير متجانسة.

يتكون التيار هنا من حركة كل من حاملات الشحن المتولدة مباشرة في منطقة تقاطع pn ، وتلك الحاملات المتحمسة في المناطق القريبة من القطب الكهربي وتصل إلى منطقة المجال القوي عن طريق الانتشار.

يعزز فصل الأزواج تشكيل تدفق الفتحة في المنطقة p وتدفق الإلكترون في المنطقة n. إذا كانت الدائرة مفتوحة ، فإن المجال الكهرومغناطيسي يعمل في الاتجاه المباشر لتقاطع p-n ، وبالتالي فإن عمله يعوض الظاهرة الأصلية.

هذا التأثير هو أساس الأداء الخلايا الشمسية وكاشفات إشعاع عالية الحساسية مع استجابة منخفضة.

الصورة الحجمي EMF

تنشأ صورة مجمعة EMF ، كما يوحي اسمها ، نتيجة لفصل أزواج حاملات الشحنة في الجزء الأكبر من العينة عند عدم التجانس المرتبط بتغيير في تركيز المادة المخدرة أو مع تغيير في التركيب الكيميائي (إذا أشباه الموصلات مركب).

هنا ، سبب فصل الأزواج هو ما يسمى مجال كهربائي مضاد ناتج عن تغيير في موضع مستوى فيرمي ، والذي يعتمد بدوره على تركيز الشوائب. أو ، إذا كنا نتحدث عن شبه موصل له تركيبة كيميائية معقدة ، فإن انقسام الأزواج ينتج عن تغيير في عرض النطاق.

ظاهرة ظهور الكتروضوئيات السائبة قابلة للتطبيق على فحص أشباه الموصلات لتحديد درجة تجانسها. ترتبط مقاومة العينة أيضًا بعدم التجانس.

صور الجهد العالي EMF

يحدث EMF غير الطبيعي (عالي الجهد) عندما تتسبب الإضاءة غير المنتظمة في وجود مجال كهربائي موجه على طول سطح العينة. سيكون حجم EMF الناتج متناسبًا مع طول المنطقة المضيئة وقد يصل إلى 1000 فولت أو أكثر.

يمكن أن تحدث الآلية إما عن طريق تأثير Dember ، إذا كان التيار المنتشر يحتوي على مكون موجه بالسطح ، أو عن طريق تكوين هيكل p-n-p-n-p بارز على السطح. الناتج الكهرومغناطيسي عالي الجهد الناتج هو إجمالي EMF لكل زوج من تقاطعات n-p و p-n غير المتماثلة.

التأثير الكهروضوئي

التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة ظهور تيار ضوئي أو ضوئي ضوئي أثناء تشوه العينة. تتمثل إحدى آلياته في ظهور الجزء الأكبر من EMF أثناء تشوه غير متجانس ، مما يؤدي إلى تغيير في معلمات أشباه الموصلات.

آلية أخرى لظهور EMF الكهروضوئية هي Dember المستعرض EMF ، والذي يحدث تحت تشوه أحادي المحور ، مما يسبب تباين معامل الانتشار لحاملات الشحن.

الآلية الأخيرة هي الأكثر فعالية في تشوهات أشباه الموصلات متعددة التضاريس ، مما يؤدي إلى إعادة توزيع الحاملات بين الوديان.

لقد درسنا جميع التأثيرات الكهروضوئية من النوع الأول ، ثم سننظر في التأثيرات المنسوبة إلى النوع الثاني.

تأثير جذب الإلكترون بالفوتونات

يرتبط هذا التأثير بعدم التناسق في توزيع الإلكترونات الضوئية على الزخم الذي تم الحصول عليه من الفوتونات. في الهياكل ثنائية الأبعاد ذات التحولات الضوئية الصغيرة ، ينتج التيار الضوئي المنزلق بشكل أساسي عن انتقالات الإلكترون مع اتجاه زخم معين ويمكن أن يتجاوز بشكل كبير التيار المقابل في البلورات السائبة.

التأثير الكهروضوئي الخطي

يرجع هذا التأثير إلى التوزيع غير المتماثل للإلكترونات الضوئية في العينة. هنا ، يتشكل عدم التناسق من خلال آليتين ، الأولى منهما باليستية ، تتعلق باتجاهية النبضة أثناء التحولات الكمومية ، والثانية هي القص ، بسبب انزياح مركز ثقل الحزمة الموجية للإلكترونات أثناء التحولات الكمومية.

لا يرتبط التأثير الكهروضوئي الخطي بنقل الزخم من الفوتونات إلى الإلكترونات ، لذلك ، مع الاستقطاب الخطي الثابت ، لا يتغير عندما ينعكس اتجاه انتشار الضوء. تساهم عمليات امتصاص الضوء وتشتته وإعادة تركيبه في التيار (يتم تعويض هذه المساهمات بالتوازن الحراري).

هذا التأثير ، المطبق على العوازل ، يجعل من الممكن تطبيق آلية الذاكرة الضوئية ، لأنها تؤدي إلى تغيير في معامل الانكسار ، الذي يعتمد على شدة الضوء ، ويستمر حتى بعد إيقاف تشغيله.

التأثير الكهروضوئي الدائري

يحدث التأثير عندما يضيء بواسطة ضوء مستقطب بيضاويًا أو دائريًا من بلورات دائرية الاتجاه. يعكس EMF الإشارة عندما يتغير الاستقطاب. يكمن سبب التأثير في العلاقة بين الزخم المغزلي والإلكترون المتأصل في بلورات الدوران. عندما يتم إثارة الإلكترونات بواسطة الضوء المستقطب دائريًا ، يتم توجيه دورانها بصريًا ، وبالتالي تحدث نبضة تيار اتجاهي.

?

يتم التعبير عن وجود التأثير المعاكس في ظهور النشاط البصري تحت تأثير التيار: يتسبب التيار المرسل في اتجاه الدوران في بلورات الدوران.

تعمل التأثيرات الثلاثة الأخيرة في أجهزة الاستقبال بالقصور الذاتي. أشعة الليزر.

التأثير الكهروضوئي السطحي

يحدث التأثير الكهروضوئي السطحي عندما ينعكس الضوء أو يمتص بواسطة ناقلات الشحن المجاني في المعادن وأشباه الموصلات بسبب انتقال الزخم من الفوتونات إلى الإلكترونات أثناء حدوث الضوء المائل وأيضًا أثناء الوقوع الطبيعي إذا كان السطح الطبيعي لسطح البلورة يختلف في الاتجاه من أحد المحاور البلورية الرئيسية.

يتمثل التأثير في ظاهرة تشتت حاملات الشحنة المثارة بالضوء على سطح العينة. في حالة امتصاص النطاق البيني ، يحدث ذلك بشرط أن يصل جزء كبير من الموجات الحاملة المثارة إلى السطح دون تشتت.

لذلك عندما تنعكس الإلكترونات عن السطح ، يتشكل تيار باليستي موجه بشكل عمودي على السطح. إذا قامت الإلكترونات ، عند الإثارة ، بترتيب نفسها في حالة قصور ذاتي ، فقد يظهر تيار موجه على طول السطح.

شرط حدوث هذا التأثير هو الاختلاف في إشارة المكونات غير الصفرية لمتوسط ​​قيم الزخم "نحو السطح" و "من السطح" للإلكترونات التي تتحرك على طول السطح. يتم استيفاء الشرط ، على سبيل المثال ، في البلورات المكعبة ، عند إثارة حاملات الشحنة من نطاق التكافؤ المتدهور إلى نطاق التوصيل.

في التشتت المنتشر على السطح ، تفقد الإلكترونات التي تصل إليه عنصر الزخم على طول السطح ، بينما تحتفظ به الإلكترونات التي تبتعد عن السطح. هذا يؤدي إلى ظهور تيار على السطح.