ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE

Transkrypt

1 ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE, WEWNETRZNE I ICH RÓŻNE ZASTOSOWANIA ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE Światło padając na powierzchnię materiału wybija z niej elektron 1

2 ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE hc mv φ φ ev λ + + stop E min hc λ maks Φ ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE zależność prądu fotoemisji od natężenia światła

3 ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE zależność prądu fotoemisji od częstotliwości -α 3α -α e e j AT (e ) 3 h( ω ) 0 ω α ΚT ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE Ciekawostka: Światło słoneczne padając na pył księżycowy wywołuje zjawisko fotoelektryczne. Pył traci elektrony i ładuje się dodatnio. Naładowane cząstki pyłu odpychają się i unoszą nad powierzchnia Księżyca. Zjawisko to obserwuje się jak rodzaj mgły powodującej, że szczegóły powierzchni stają się nieostre oraz jako poświata w czasie zachodu Słońca. 3

4 Zjawiska fotoelektryczne w półprzewodnikach Równanie neutralności półprzewodnika Wypadkowy ładunek półprzewodnika (oraz jego dowolnego małego fragmentu) musi być równy zeru. Ładunki ujemne w półprzewodniku: elektrony w paśmie przewodnictwa (n) akceptory, które związały dodatkowy elektron z pasma walencyjnego (n a N a N a -p a ) 4

5 5 Wypadkowy ładunek półprzewodnika (oraz jego dowolnego małego fragmentu) musi być równy zeru. Ładunki dodatnie: dziury w paśmie walencyjnym (p) donory, których elektron przeszedł do pasma przewodnictwa (p d N d n d N d+ ) W rezultacie otrzymujemy: d d a a d a n N p p N n p p n n Równanie neutralności półprzewodnika Równowaga termodynamiczna Równowagowe koncentracje nośników (n 0 i p 0 )są to statystyczne średnie wartości. Nieustannie zachodzi generacja nośników z niższych stanów energetycznych do wyższych oraz ich rekombinacja. W równowadze termodynamicznej szybkości generacji i rekombinacji są sobie równe. n 0 i p 0 zależą od m n *, m p *, E F it. 3 * 0 exp h T m k N gdzie T k E E N n B n c B F C C π 3 * 0 exp h T m k N gdzie T k E E N p B h V B V F V π

6 Warunki nierównowagowe Półprzewodniki często pracują w warunkach nierównowagowych (np. układy optoelektroniczne, spolaryzowane złącza n-p itd. ). Zatem: n n 0 + dn i p p 0 + dp W ogólności, koncentracja nadmiarowych nośników może zależeć od czasu (dn i dp). Jeśli dn i dp są niezerowe, ale niezależne od czasu, wówczas mamy do czynienia ze stanem nierównowagowym ale stacjonarnym. Nadmiarowe nośniki mogą być np. generowane optycznie. Warunki nierównowagowe: generacja nośników ładunku Conduction Band hf E E c E D E A Valence Band E v 6

7 Generacja (G). Rekombinacja (R) Generacja i rekombinacja W równowadze szybkości generacji i rekombinacji: r g E e hv G R E C E V hv x Generacja i rekombinacja Mechanizmy rekombinacji mogą być różne: E e Bezpośrednia: pasmo-pasmo G R E C hv hv E V x 7

8 Generacja i rekombinacja Mechanizmy rekombinacji mogą być różne: Auger E e G R E C E V x Generacja i rekombinacja Mechanizmy rekombinacji mogą być różne: E e G R E C R-G Centrum E V x Pośrednia: przez centra R-G 8

9 Generacja i rekombinacja w półprzewodniku samoistnym Szybkość rekombinacji zależy od ilości (koncentracji) elektronów i dziur (n i p). Szybkość rekombinacji jest tym większa im więcej jest nośników ładunku: r np r αnp Gdzie: α - stała proporcjonalności E e G R E C hv hv E V x Generacja i rekombinacja w półprzewodniku samoistnym Gdy nie ma żadnego zewnętrznego źródła generacji koncentracja elektronów wynosi n o a dziur - p o. Ale nieustannie zachodzi i generacja (termiczna) i rekombinacja zatem: r αn p 0 0 E e G R E C hv hv E V x 9

10 Równanie ciągłości dn szybkość Szybkość + Przepływ dt generacji rekombinacji ładunku E c E v Równanie ciągłości: rozwiązania 1. Nie ma żadnego zewnętrznego źródła generacji. Równowaga termiczna, nie ma prądu. n n 0. dn dt szybkość generacji Szybkość + Przepływ rekombinacji ładunku 0 g i r + 0 i r i g i r i α n 0 p 0 i r i g i α n i 10

11 Równanie ciągłości: rozwiązania. Jest źródło generacji. Nie ma prądu. dn dt szybkość generacji Szybkość + Przepływ rekombinacji ładunku dn dt g r Szybkość generacji zależy od czynników zewnętrznych. Szybkość rekombinacji jest tym większa im więcej jest nośników. dn g αnp dt Równanie ciągłości: rozwiązania Całkowita koncentracja nośników jest sumą koncentracji nośników równowagowych i koncentracji nośników nadmiarowych. n n0 + δ n i p p0 + δp Zatem: dn dt ( n + δn) p δ ) g α + 0 ( 0 p 11

12 Równanie ciągłości: rozwiązania dn dt ( n + δn) p δ ) g α + 0 ( 0 p Zakładając, że zewnętrzny czynnik generujący przestał w pewnej chwili działać: dn dt ( n p + p δn + n δp δpδn) gi α dn dt ( p δn + n δp δpδn) 0 0 α + Rozwiązanie r-nia ciągłości w niektórych, szczególnych przypadkach Dla materiału p (p 0 >> n 0 ) przy słabej generacjit p 0 >> dn, równanie upraszcza się do: d dt δn gdzie τ n α p0δn α 1 p0 δn τ n dokladniej δn : τ n α t τ () t n e n ( n + p ) Rekombinacja liniowa 1

13 Rozwiązanie r-nia ciągłości w niektórych, szczególnych przypadkach Gdy natomiast generacja jest silna: d( δn) dt α ( δpδn) α ( δn) Rekombinacja kwadratowa Section 4.3: Example 4-3 Silicon with n cm -3, τ n τ p µs. g op EHP/cm 3 s What are n, p, n 0, and p 0? 19 EHP δn δp gopτ n 10 3 cm s 13 δn δp 10 n n0 + δn p p0 + δp ( cm ) 6 [ 10 () s ] ( cm ) + 10 ( cm ) ( cm ) 10-3 ni ( ) ( ) [ ( cm )] cm + 10 cm n 14( cm ) ( -3) 13( -3) 13( -3 cm + 10 cm 10 cm ) ( cm ) NOTE: np n i 13

14 Fotoprzewodnictwo Światło generuje w półprzewodniku,lub złączu półprzewodnikowym pary elektron-dziura.powoduje to wzrost przewodnictwa. Zjawisko wykorzystuje się w fotorezystorach i fotodiodach. Fotorezystory Prąd płynący przez półprzewodnik jest proporcjonalny do strumienia kwantów promieniowania padających na materiał. CdS; PbS; Si; Ge Najczęściej, fotorezystory są czułe na promieniowanie w zakresie podczerwieni i widzialnym. 14

15 Fotodiody Zasada działania: diodę p-n polaryzujemy w kierunku zaporowym: prąd nie płynie (lub płynie bardzo mały prąd). - P --- D +++ N + E C µ E V E C Holes e φ 0 E V p- n-t Fotodiody Zasada działania: światło pada na obszar złącza, generuje pary elektron-dziura. - P --- D +++ N + E C - µ E V Holes e φ 0 E C + E V p- n- 15

16 Fotodiody nieoświetlona oświetlona Elektroluminescencja Świecenie pod wpływem przepływu prądu. 16

17 LED Zasada działania: p hν n +V -V warstwa aktywna Energia E hν lub E(eV) 1.4/λ(µm) E fn E fn hν LED kolory Kolor zależy od szerokości przerwy energetycznej. 17

18 Efekt fotowoltaiczny: baterie słoneczne Wskutek oświetlenia złącza n-p powstaje różnica potencjałów. Detektory światła Ogniwa fotoelektryczne służą m.in. jako detektory światła. Czułość i efektywność przetwarzania światła na ładunek zależy od materiałów, z których wytworzone są elementy światłoczułe. 18

19 Detektory światła Najogólniej rzecz biorąc: są to całe sieci ogniw fotoelektrycznych. W zależności od rozwiązań technicznych przetwarzania światła na sygnał elektryczny (w szczególności wzmacniania sygnału) mówi się o detektorach CCD i CMOS. Detektory światła Oba typy detektorów przetwarzają światło na ładunek elektryczny i dalej na napięcie. W detektorze CCD ładunek z każdego pixela jest wysyłany przez niewielką liczbę połączeń,przetwarzany na napięcie i wysyłany dalej jako sygnał analogowy. W detektorze CMOS każdy pixel ma swój własny przetwornik ładunek-napięcie, często również wzmacniacz 19

20 Detektory światła CCD Ideowy schemat układu CCD (charge-coupled device) Detektory CCD Grubowarstwowe, oświetlone z przodu Incoming photons p-si n-si 65µm SiO Polikrystaliczny Si 0

21 Detektory CCD Cienkowarstwowe, oświetlone z tyłu Incoming photons Warstwa antyodbiciowa p-si 15µm n-si SiO Polikrystaliczny Si Warstwy antyodbiciowe Si ma współczynnik załamania n 3.6, co oznacza, że duża część padającego światła odbija się n i n t Część fotonów, które odbiją się na granicy: t -n [ i n t +n] i 1

22 Warstwy antyodbiciowe Po zastosowaniu warstwy antyodbiciowej (cienki dielektryk): n i n s n t powietrze Warstwa AR Si [ n n t x n i -n s ] x n +n t i s Detektory CMOS CMOS (Complementary MOS) Technologia wytwarzania układów scalonych, głównie cyfrowych, składających się z tranzystorów MOS o przeciwnym typie przewodnictwa.