скачать книгу бесплатно
Keywords: photovoltaic effect, cubic crystal, photovoltaic coefficients, holographic effect, photo-piezoelectric.
ВВЕДЕНИЕ
Фото-ЭДС (или фотонапряжение) в полупроводниках независимо от ее природы не может превышать ширину запрещенной зоны, т.е. несколько Вольт. Например, в однородном полупроводнике Демберовское (диффузионное) фото напряжение для сколь угодно большой интенсивности возбуждающего света не превышает значения [1].
Где E
– ширина запрещенной зоны полупроводника, n
и n
– соответственно неравновесная и равновесная концентрации носителей, N
– плотность состояний.
Другим примером может служить возникающие фотонапряжение при освещении p-n —перехода [2].
которое также не превышает E
. Здесь и – соответственно концентрации электронов в n – области и дырки в р – области. и – энергии уровня Ферми в n – и р – областях.
Исключение из этого правила составляли лишь полупроводниковые текстуры в которых наблюдается эффект аномально больших фото напряжений (АФН эффект), обусловленный сложением элементарных фото-ЭДС Дембера (1) или элементарных фото-ЭДС (2), развивающихся на отдельных р-n —переходах текстуры [3].
В таких текстурах из напиленных слоев CdTe, Ge, Si, GaAs, PbS, CdSe и т. д. фото напряжения могут достигать значений порядка нескольких сотен Вольт на сантиметр длины в направлении сложения элементарных фото-ЭДС (1) или (2).
В последние годы стало ясно, что в термодинамических неравновесных условиях возможны токи иной природы, обусловленные отсутствием среды центра симметрии. Важнейшим этого класса эффекта является аномальный фотовольтаический эффект (АФ эффект).
АФ эффект заключается в том, что при равномерном освещении короткозамкнутого сегнетоэлектрика через него протекает стационарный ток, который в [4,5] был назван фотовольтаическим. Было показано, что именно фотовольтаический ток приводит к аномальному фотовольтаическому эффекту (АФ эффект) в сегнетоэлектрике.
Аномальный фотовольтаический эффект, обнаруженный для сегнетоэлектриков впервые в [4,5] является частным случаем АФ эффекта, описываемого для кристаллов без центра симметрии тензором третьего ранга [5,6]:
Согласно (3), при равномерном освещении линейно поляризованным светом однородного кристаллов без центра симметрии (сегнето, пиро или пъезоэлектрического кристалла) в нем возникает фотовольтаический ток J
, знак и величина которого зависят от ориентации вектора поляризации света с проекциями.
Компоненты тензора a
отличны от нуля для 20 ацентричных групп симметрии. Если электроды кристалла разомкнуть, то фотовольтаический ток генерирует фотонапряжения
где
и соответственно
темновая и фотопроводимость, расстояние между электродами. Генерируемое фотонапряжения порядка 10
—10
В, превышающее величину ширины запрещенной зони E
на два – четыре порядка.
В соответствии с (3) и симметрией точечной группы кристалла можно написать выражения для фотовольтаического тока. Сравнение экспериментальной угловой зависимости (b) с (3) позволяет определить фотовольтаический тензор a
или фотовольтаический коэффициент
(a* – коэффициент поглошения света).
1. ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ ZnS
В работе изложен результаты исследования объемного фотовольтаического эффекта в пьезоэлектрических кристаллах ZnS, принадлежащих к кубической точечной группе m.
Исследовались кубические кристаллы ZnS, вырашенные гидротермальным методом в растворах H
PO
и KOH в лаборатории гидротермального синтеза института кристаллографии Российской АН.
В отличие от сегнетоэлектриков [4, 5] фотовольтаический эффект в ZnS можно наблюдать только в поляризованном свете [8,9]. В соответствии (3) и симметрией точечной группы при освешении кристалла в z направлении оси 4 порядка (оси z) выражение фотовольтаического тока в z направлении имеет вид:
где – угол между плоскостью поляризации света и осью х.
Измерение фотовольтаического тока J
и генерируемого им поля
(s
– фотопроводимость) производилось путем снятая стационарных вольт-амперных характеристик [5].
На рис.1 представлена ориентационная зависимость в направлении [001], снятая при Т = 143К при освещении светом с длинной волны l=500 нм (a*=5 см
) и интенсивностью I=2.3?10
Вт?см
. Кристалл освещается плоско поляризованным светом в направлении [001].Сравнение этой угловой зависимости с (4) даёт
K
=2?10
A?см? (Вт)
.
Таким образом, значение модуля К
в исследованных кристаллах ZnS существенно выше, чем у известных сегнето- и пьезоэлектриков [4, 5,6].
В интервале Т=140—300
К модуль К
обнаруживает слабую температурную зависимость. Благодаря этому, а также из-за сильной температурной зависимости фотопроводимости s
, генерируемое в направление оси z поле
изменялось в пределах от 1В·см
(Т=300
К) до 40В·см
(Т=143
К) и не зависело от интенсивности света I.
Рис.1 Ориентационная зависимость плотности фотовольтаического тока J
в направлении [001]. (T=143K, I=2.3?10
Вт?см
, =500 нм)
В кристаллах ZnS, выращенных гидротермальным методом фотовольтаический эффект имеет в основном примесный характер. Это видно из рис.2 где представлены спектральные распределения фотопроводимости s
(1) фотовольтаического тока (2), отнесенные к единицы падающей энергии и края оптического поглощения (3).
Примесная полоса в спектральном распределении имеет место вблизи l=500 нм. Там же расположен примесный максимум фотопроводимости. Для кристаллов, выращенных в кислотной или щелочной среде примесный максимум, имеет разное положение и сдвигается в пределах 450—500 нм.
Рис.2. Спектральное распределение фотовольтаического тока J
(2), фотопроводимости s
(1) и оптического поглощения * (3) приТ=143К. =45
2. ФОТОРЕФРАКТИВНЫЙ ЭФФЕКТ В КУБИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ ZnS
Влияние неравновесных носителей на двулучепреломленние сегнето и пьезоэлектрических кристаллах получило в литературе название фоторефрактивного эффекта (ФР эффект) и нашёл широкое использование для регистрации объемных голограмм. ФР эффект заключается в следующем. В результате локального освещения или пьезоэлектрического кристалла интенсивным проходящим светом (сфокусированным лучом лазера) в объеме кристалла внутри светового пучка имеет место обратимое изменение двулучепреломления, главным образом за счёт изменения показателя преломления необыкновенного луча n
. Величина этого изменение достигает 10
-10
для некоторых пироэлектриков (LiNbo
LiTa0
), а время его существования может изменяться в широких пределах, от миллисекунд в BaTiO
до месяцев в LiNbO
. Запись голограммы осуществляется благодаря объемной модуляции значения Dn, соответствующей модуляции записывающего луча. Разрешающая способность записи исключительно высокие, 10
—10
лин/мм. [7,9].
Главное преимущество этого метода оптической памяти по сравнению с фотографическими слоями заключается в возможности параллельной записи, считывания и стирания.
Как показано знак и величина фотовольтаического тока зависит от симметрии кристалла и поляризации света. Фотовольтаический ток приводит к генерации в том же направлении аномально больших фотонапряжений. Таким образом, за время экспозиции t в кристалле возникает макроскопическое поле.
Благодаря линейному электрическому эффекту поле приводит к ФР эффекту:
где r
– электрооптические коэффициенты. Уравнение (6) записано в главой системе координат. После освещение поле сохраняется в кристалле длительное время благодаря захвату неравновесных электронов и дырок. Этот механизм захвата ответствен за оптическую память. Стирание может осуществляться путем отжига кристалла при 170С. Имеются и другие метода стирания.
В высокоомных кристаллах ZnS, можно наблюдать ФР эффект, знак и амплитуда которого зависит от ориентации плоскости поляризации света (4) рис.1. Использование в голографической записи фотопьезоэлектриков дает преимущества. В этом случае запись осуществляется двумя когерентными лучами с поляризацией соответствующей фотовольтаическому току Ј
и полю Е
в z-направлении (). Реконстуирование записанной голограммы достигается путем освещения кристалла лучом когерентного света той же длины волны. Однако, поляризация этого луча выбирается таким образом, чтобы освещение не приводило к генерации фотовольтаического тока в z – направлении (). Стирание записанной голограммы достигает путем равномерного освещение поверхности лучом света с предыдущей поляризации (). Таким образом, использование света с разным направлением плоскости поляризации позволяет реконструировать голограмму, записанную в фотопьезоэлектрике без заметного повреждения. Рис.3 показывает голографический запись, восстановление, и стирание записи в фотопьезоэлектрике.
Также АФ эффект в кристллах без центра симметрии может быть применён как новый тип элементов-фотовольтаических преобразователей энергии. КПД преобразователей световой энергии в электрическую энергию на основе фотовольтаического эффекта пака низок.
Однако, сегнето, ипеъзоэлектрики могут использоваться для генерации опорных напряжений низкой мощности. При этом спектральный чувствительность этих элементов варьируется широкой области: от вакуумной ультрафиолетовой до красной видимой области.
Имеется возможности применения этих процессов в бесеребрянной фотографии и видиконов, а также в нанотехнологии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Обнаружен и исследован фотовольтаический и фоторефрактивный эффект и определён единственное отличное от нуля фотовольтаический коэффициент
K
=2?10
A?см? (Вт)
для кубическом кристалле ZnS. Коэффициенты K
более чем на порядок превышают соответствующие коэффициенты в LiNbO3:Fe.
Показана возможность использование фотопьезоэлектриков в голографической записи. В этом случае запись осуществляется двумя когерентными лучами с поляризацией соответствующей фотовольтаическому току. Реконстуирование записанной голограммы достигается путем освещения кристалла лучом когерентного света той же длины волны. Однако, поляризация этого луча выбирается таким образом, чтобы освещение не приводило к генерации фотовольтаического тока. Стирание записанной голограммы достигает путем равномерного освещение поверхности лучом света с предыдущей поляризации. Также стирание может осуществляться путем отжига кристалла при 170С.
Автор благодарит С. Шамирзаеву за обсуждение.
