光起電力効果とその種類
いわゆる光起電力（または太陽光発電）効果は、1839 年にフランスの物理学者アレクサンドル エドモン ベクレルによって初めて観察されました。
父親の研究室で実験を行ったところ、電解液に浸したプラチナ板に光を当てると、プレートに接続された検流計が金属の存在を示すことを発見しました。 起電力…すぐに、19 歳のエドマンドは、自分の発見の有用な応用法を見つけました。彼は、入射光の強度を記録する装置であるアクチノグラフを作成しました。
今日、光起電力効果には、何らかの形で閉回路内の電流の出現に関連する一連の現象が含まれます。これには、照射された半導体または誘電体サンプル、または照射されたサンプル上の EMF 現象が含まれます。外部回路が開いています。この場合、2 種類の光起電力効果が区別されます。
最初のタイプの光起電力効果には、高電気光起電力、体積光起電力、バルブ光起電力、光エピゾ電気効果およびデンバー効果が含まれます。
2 番目のタイプの光起電力効果には、光子による電子の同伴効果、および表面、円形、および線形の光起電力効果が含まれます。
1 番目と 2 番目のタイプの効果
最初のタイプの光起電力効果は、光の効果によって電子と正孔という 2 つの性質の移動電荷キャリアが生成され、サンプル空間内でそれらが分離されるプロセスによって引き起こされます。
この場合、分離の可能性は、サンプルの不均一性（その表面はサンプルの不均一性と考えることができます）、または光が表面近くで吸収される場合やサンプルの一部のみが吸収される場合の照明の不均一性に関連します。サンプル表面が照らされると、電子に当たる光の影響下で電子の熱移動速度が増加するため、EMFが発生します。
2 番目のタイプの光起電力効果は、光による電荷キャリアの励起の基本プロセスの非対称性、それらの散乱と再結合の非対称性に関連しています。
このタイプの効果は、反対の電荷キャリアのペアをさらに形成することなく現れます。それらはバンド間遷移によって引き起こされるか、不純物による電荷キャリアの励起に関連している可能性があります。さらに、それらは、バンドによる光エネルギーの吸収によって引き起こされる可能性があります。無料のチャージキャリア。
次に、太陽光発電の仕組みを見てみましょう。まず最初のタイプの太陽光発電の効果を見て、次に 2 番目のタイプの効果に注目します。
厚みのあるエフェクト
デンバー効果は、単にサンプルの反対側の表面再結合率の違いにより、サンプルの均一な照明下で発生する可能性があります。サンプルの照明が不均一であると、電子と正孔の拡散係数の違い (移動度の違い) によってデンバー効果が発生します。
パルス照明によって開始されるデンバー効果は、テラヘルツ範囲の放射線を生成するために使用されます。デンバー効果は、InSb や InAs などの高電子移動度のナローギャップ半導体で最も顕著です。[banner_adsense]
バリア光起電力
ゲートまたはバリアの光起電力は、電界による電子と正孔の分離から生じます。 ショットキー障壁の 金属と半導体の接触の場合、およびフィールドの場合 P-N ジャンクション またはヘテロ接合。
ここでの電流は、pn 接合領域で直接生成された電荷キャリアと、電極に近い領域で励起されて拡散によって強電界の領域に到達するキャリアの両方の移動によって形成されます。
ペアの分離により、p 領域での正孔の流れと n 領域での電子の流れの形成が促進されます。回路が開いている場合、EMF は p-n 接合に対して直接の方向に作用するため、その作用により元の現象が補償されます。
この効果は機能の基礎です 太陽電池 応答性が低い高感度の放射線検出器。
体積光起電力
バルク光起電力は、その名前が示すように、ドーパントの濃度の変化または化学組成の変化（場合によっては）に関連する不均一性でサンプルの大部分における電荷キャリアのペアが分離した結果として発生します半導体は化合物です）。
ここで、ペアの分離の理由は、いわゆるフェルミ準位の位置の変化によって生成される逆電場。フェルミ準位の位置は不純物濃度に依存します。あるいは、複雑な化学組成を持つ半導体について話している場合、ペアの分裂はバンド幅の変化によって起こります。
バルク光電の出現現象は、半導体の均一性の程度を測定するためのプローブに応用できます。サンプルの抵抗も不均一性に関係します。
高電圧光起電力
異常（高電圧）光起電力は、不均一な照明によってサンプルの表面に沿った方向の電場が生じるときに発生します。結果として生じるEMFの大きさは照射領域の長さに比例し、1000ボルト以上に達する場合があります。
このメカニズムは、拡散電流に表面指向成分がある場合のデンバー効果、または表面に突き出る p-n-p-n-p 構造の形成のいずれかによって引き起こされる可能性があります。結果として得られる高電圧 EMF は、非対称 n-p 接合および p-n 接合の各ペアの合計 EMF です。
光エピゾ電効果
光エピゾ電気効果は、サンプルの変形中に光電流または光起電力が現れる現象です。そのメカニズムの 1 つは、不均一な変形中にバルク EMF が発生し、半導体のパラメーターの変化につながることです。
光エピソエレクトリック EMF が発生するもう 1 つのメカニズムは横デンバー EMF です。これは一軸変形下で発生し、電荷キャリアの拡散係数の異方性を引き起こします。
後者のメカニズムは、多谷の半導体変形に最も効果的であり、谷間のキャリアの再分布につながります。
最初のタイプの太陽光発電の効果をすべて見てきました。次に、2 番目のタイプに起因する効果を見ていきます。
光子による電子引力の効果
この効果は、光子から得られる運動量に対する光電子の分布の非対称性に関連しています。光学ミニバンド遷移を伴う二次元構造では、滑り光電流は主に特定の運動量方向の電子遷移によって引き起こされ、バルク結晶内の対応する電流を大幅に超える可能性があります。
線形太陽光発電効果
この効果は、サンプル内の光電子の非対称分布によるものです。ここで、非対称性は 2 つのメカニズムによって形成されます。1 つ目は量子遷移中のパルスの方向性に関連する弾道的メカニズムであり、2 つ目は量子遷移中の電子の波束の重心の移動によるせん断です。量子遷移。
線形光起電力効果は、光子から電子への運動量の移動とは関係がないため、直線偏光が固定されている場合、光の伝播方向が反転しても変化しません。光の吸収、散乱、および再結合のプロセスが寄与します。 (これらの寄与は熱平衡時に補償されます)。
この効果を誘電体に適用すると、光の強度に応じて屈折率の変化が生じ、光が消えた後も継続するため、光メモリーのメカニズムを応用することが可能になります。
循環型太陽光発電効果
この効果は、ジャイロトロピック結晶からの楕円偏光または円偏光で照明されたときに発生します。偏波が変化すると、EMF の符号が反転します。この効果の理由は、ジャイロトロピック結晶に固有のスピンと電子の運動量の関係にあります。電子が円偏光によって励起されると、電子のスピンは光学的に配向され、それに応じて指向性電流パルスが発生します。
逆の効果の存在は、電流の作用下での光学活性の出現で表されます。送信された電流は、ジャイロトロピック結晶のスピンの配向を引き起こします。
最後の 3 つの効果は慣性受信機として機能します。 レーザー照射.
表面光起電力効果
表面光起電力効果は、光の斜め入射中、および結晶表面への法線が異なる場合は垂直入射中に、光子から電子への運動量の移動により、光が金属や半導体の自由電荷キャリアによって反射または吸収されるときに発生します。結晶主軸の 1 つからの方向。
この効果は、サンプルの表面上で光励起された電荷キャリアが散乱する現象にあります。バンド間吸収の場合、励起キャリアのかなりの部分が散乱することなく表面に到達する条件下で発生します。
したがって、電子が表面で反射されると、表面に垂直な方向の弾道流が形成されます。励起時に電子が慣性で配置されると、表面に沿った方向の電流が発生する可能性があります。
この効果が発生する条件は、表面に沿って移動する電子の「表面に向かう」運動量と「表面からの」運動量の平均値の非ゼロ成分の符号の違いです。この条件は、たとえば立方晶結晶では、縮退した価電子帯から伝導帯へ電荷キャリアが励起されると満たされます。
表面による拡散散乱では、表面に到達する電子は表面に沿った運動量の成分を失いますが、表面から遠ざかる電子はその成分を保持します。これにより、表面に電流が発生します。