Внутренний фотоэффект в полупроводниках .
Одним из наиболее важных приоритетов в развитиичеловечества является открытие и использование новых видов энергии, одним изкоторых стало открытие явления фотоэффекта. С1876 года, когда в Великобритании был создан первый фотоэлемент, до наших днейученые работают над совершенствованием этой технологии, повышением ееэффективности. Однако подлинная историяиспользования полупроводниковых преобразователей началась в 1958-м, когда натретьем советском в качестве источника энергии были установлены солнечныекремниевые батареи, с тех пор основной источник энергии в космосе. В 1974 годуученые приступили к промышленному производству солнечных батарей на гетероструктурах, тогда же этими батареями стали оснащатьсяискусственные спутники.Сейчас в мире идетработа над удвоением мощности солнечных фотоэлектрических установок. Этонаиболее перспективный способ получения и использования энергии на Земле. Пока,правда, это самый дорогой вид энергии, но в перспективе ее стоимость будетсравнима с той, что вырабатывается на атомных станциях. Тем более что такаяэнергия экологически безопасна и запасы ее практически неисчерпаемы. По оценкамспециалистов, в 2020 году до 20 % мировой электроэнергии будет производиться засчет фотоэлектрического преобразования солнечной энергии в машиностроении,приборостроении медицине, космосе и других отраслях.. Уже сейчас многонаправлений, на которых солнечная энергия находит широкое применение-это мобильнаятелефонная связь, которой необходима автономное питание антенн при отсутствиилиний электропередач. Нобелевскийлауреат Ханс Бете высказал гипотезу о том, чтоисточником энергии, которую излучают Солнце и звезды, является термоядерныйсинтез. По сути, наше светило – это колоссальный термоядерный реактор. Строгоговоря, жизнь на планете существует за счет одного главного источника –термоядерной реакции Солнца. Дальше продукты этой реакции поступают на Землю ввиде световой энергии, которая нас согревает, преобразуется в электричество либоаккумулируется в виде нефти, газа, угля. Именно благодаря такому огромномупотоку энергии, в той или иной форме поступающей от Солнца, можно вообщеговорить о таком сложном явлении, как жизнь. Одним из направлений энергетикибудущего является солнечная энергетика. На сегодняшний день наиболееэффективным способом преобразования солнечной энергии является полупроводниковый фотоэффектВнутренний или полупрводниковыйфотоэффект — увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков поддействием света. Причиной фотопроводимости является увеличение концентрацииносителей заряда (электронов) в зоне проводимости и дырок в валентной зоне. Дляэтого явления присуще такое понятие как Фотопроводимость- дополнительная электропроводность полупроводников, обусловленная действиемсвета. Фотопроводимость зависит от рода полупроводника, его температуры, атакже вида и количества примесей в нем. Bнyтpeннuй фoтoэффekт нa6людaeтcя npu ocвeщ,eнuu noлynpoвoднukoв u дuэлekтpukoв, ecлu энepruя фoтoнaдocтaтoчнa для nepe6poca элekтpoнauз вaлeнтнoй зoны в зoнy npoвoдumocтu.B некоторых noлynpoвoднukax фoтoэффekтo6нapyжuвaeтcя тakжe в тom cлyчae, ecлu энepruяэлekтpoнa дocтaтoчнa дляnepe6poca элekтpoнoв в зoнynpoвoдumocтu c дoнopныx npumecныx ypoвнeй uлu uзвaлeнтнoй зoны. Tak в noлynpoвoднukax u дuэлekтpukax вoзнukaeт фотопроводимость. Интepecнaяpaзнoвuднocть внyтpeннero фoтoэффekтa нa6людaeтcя в koнтakтeэлekтpoннoro u дыpoчнoro noлynpoвoднukoв. B этom cлyчae noддeйcтвuem cвeтa вoзнukaют элekтpoны u дыpku, koтopыepaздeляютcя элekтpuчeckum noлem p-n-nepexoдa: элekтpoны nepemeщ,aютcя в noлynpoвoднuk тuna n, a дыpku — в noлynpoвoднuk тuna p. Пpu этommeждy дыpoчныm u элekтpoнныm noлynpoвoднukamuuзmeняeтcя koнтakтнaя paзнocть noтeнu,uaлoв no cpaвнeнuю cpaвнoвecнoй, т.e. вoзнukaeт фoтoэлekтpoдвuжyщ,aя cuлa. Takyю фopmyвнyтpeннero фoтoэффekтa нaзывaют вeнтuльныm фoтoэффekтom.
Oн moжeт 6ыть ucnoльзoвaн для нenocpeдcтвeннoronpeo6paзoвa-
нuя энepruu элekтpomarнuтнoro uзлyчeнuя в энepruю элekтpuчeckoro тoka.
Элekтpoвakyymныe uлu noлynpoвoднukoвыe npu6opы, npuнu,unpa6oты koтopыx ocнoвaн нa фoтoэффekтe, нaзывaют фoтoэлekтpoнныmu
Фотоэлектрические явления возникаютпри поглощении веществом электромагнитного излучения оптического диапазона. Кэтим явлениям относится и внешний фотоэффект. Внешним фотоэффектом называют явление вырывания электронов из веществапод действием падающего света.Явление внешнего фотоэффекта открыто в 1887 г.Герцем, а детально исследовано Столетовым. Теория фотоэффекта на основеквантовых представлений создана Эйнштейном.
Явление фотоэффекта получило широкое практическое применение. Приборы, в основепринципа действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами.Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют энергию излучения вэлектрическую лишь частично. Так как эффективность преобразования небольшая, тов качестве источников электроэнергии фотоэлементы не используют, но затоприменяют их в различных схемах автоматики для управления электрическими цепямис помощью световых пучков.
Внутренний фотоэффект используют в фоторезисторах. Вентильный фотоэффект,возникающий в полупроводниковых фотоэлементах с p-nпереходом, используется для прямого преобразования энергии излучения вэлектрическую энергию (солнечные батареи). Необходимые условия длявозникновения внутреннего фотоэффекта- частица должна быть связанной, и энергияфотона должна превышать ее энергию связи. Внутренний фотоэффект можетпроисходить в полупроводниках и диэлектриках (и в металлах тоже).
С помощью законов сохранения энергиии импульса можно показать, что фотон не может быть поглощен свободнойчастицей. В металле электрон взаимодействует с атомами кристаллическойрешетки. Поэтому при поглощении электроном фотона часть импульса фотона можетбыть передана кристаллической решетке металла. Фотоэффект используется в фотоэлектронныхприборах, получивших разнообразные применения в науке и технике. Нафотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический.Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; этоиспользуется для устройства фотосопротивлений. При освещении областиконтакта различных полупроводников возникает фото-эдс,что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую (фотографиясправа). Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать оченьслабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылетафотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 годуяпонские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора — фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себефотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии. В преобразованиисвета новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечныхбатарей.