फोटोव्होल्टेइक प्रभाव आणि त्याचे प्रकार

प्रथमच, तथाकथित फोटोव्होल्टेइक (किंवा फोटोव्होल्टेइक) प्रभाव 1839 मध्ये फ्रेंच भौतिकशास्त्रज्ञ अलेक्झांड्रे एडमंड बेकरेल यांनी पाहिला.

त्याच्या वडिलांच्या प्रयोगशाळेत प्रयोग करून, त्याने शोधून काढले की इलेक्ट्रोलाइटिक द्रावणात बुडलेल्या प्लॅटिनम प्लेट्सला प्रकाशित करून, प्लेट्सशी जोडलेले गॅल्व्हनोमीटर त्याची उपस्थिती दर्शवते. विद्युतचुंबकिय बल... लवकरच एकोणीस वर्षांच्या एडमंडला त्याच्या शोधासाठी एक उपयुक्त अनुप्रयोग सापडला - त्याने एक ऍक्टिनोग्राफ तयार केला - घटना प्रकाशाची तीव्रता रेकॉर्ड करण्यासाठी एक उपकरण.

आज, फोटोव्होल्टेइक इफेक्ट्समध्ये घटनांचा संपूर्ण समूह समाविष्ट आहे, एक प्रकारे किंवा दुसर्या प्रकारे, बंद सर्किटमध्ये विद्युत प्रवाह दिसण्याशी संबंधित आहे, ज्यामध्ये प्रकाशित अर्धसंवाहक किंवा डायलेक्ट्रिक नमुना किंवा प्रकाशित नमुन्यावरील ईएमएफ इंद्रियगोचर समाविष्ट आहे, जर बाह्य सर्किट उघडे आहे. या प्रकरणात, दोन प्रकारचे फोटोव्होल्टेइक प्रभाव वेगळे केले जातात.

पहिल्या प्रकारच्या फोटोव्होल्टेइक प्रभावांमध्ये हे समाविष्ट आहे: उच्च इलेक्ट्रिक फोटो-ईएमएफ, व्हॉल्यूम फोटो-ईएमएफ, व्हॉल्व्ह फोटो-ईएमएफ, तसेच फोटोपिझोइलेक्ट्रिक प्रभाव आणि डेंबर प्रभाव.

दुसऱ्या प्रकारच्या फोटोव्होल्टेइक प्रभावांमध्ये हे समाविष्ट आहे: फोटॉनद्वारे इलेक्ट्रॉन्सच्या प्रवेशाचा प्रभाव, तसेच पृष्ठभाग, गोलाकार आणि रेखीय फोटोव्होल्टेइक प्रभाव.

पहिल्या आणि दुसऱ्या प्रकाराचा प्रभाव

पहिल्या प्रकाराचे फोटोव्होल्टेइक प्रभाव अशा प्रक्रियेमुळे उद्भवतात ज्यामध्ये प्रकाश प्रभाव दोन वर्णांचे मोबाइल इलेक्ट्रिक चार्ज वाहक तयार करतो - इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र, ज्यामुळे नमुन्याच्या जागेत त्यांचे पृथक्करण होते.

या प्रकरणात विभक्त होण्याची शक्यता एकतर नमुन्याच्या एकसमानतेशी संबंधित आहे (त्याची पृष्ठभाग नमुन्याची एकरूपता मानली जाऊ शकते) किंवा जेव्हा प्रकाश पृष्ठभागाच्या अगदी जवळ शोषला जातो किंवा जेव्हा प्रकाशाचा केवळ एक भाग असतो तेव्हा प्रकाशाच्या विसंगततेशी. नमुना पृष्ठभाग प्रकाशित केला जातो, म्हणून त्यांच्यावर पडणाऱ्या प्रकाशाच्या प्रभावाखाली इलेक्ट्रॉनांच्या थर्मल हालचालींच्या गतीमध्ये वाढ झाल्यामुळे EMF उद्भवते.

दुसऱ्या प्रकारचे फोटोव्होल्टेइक प्रभाव प्रकाशाद्वारे चार्ज वाहकांच्या उत्तेजित होण्याच्या प्राथमिक प्रक्रियेच्या असममिततेशी, त्यांच्या विखुरण्याची आणि पुनर्संयोजनाची विषमता यांच्याशी संबंधित आहेत.

या प्रकारचे परिणाम विरुद्ध चार्ज वाहकांच्या जोड्यांच्या अतिरिक्त निर्मितीशिवाय दिसून येतात, ते आंतरबँड संक्रमणामुळे होतात किंवा अशुद्धतेद्वारे चार्ज वाहकांच्या उत्तेजिततेशी संबंधित असू शकतात, याव्यतिरिक्त, ते प्रकाश उर्जेच्या शोषणामुळे होऊ शकतात. विनामूल्य शुल्क वाहक.

पुढे, फोटोव्होल्टेइक प्रभावांची यंत्रणा पाहू. आपण प्रथम पहिल्या प्रकाराचे फोटोव्होल्टेइक प्रभाव पाहू, त्यानंतर दुसऱ्या प्रकाराच्या प्रभावांकडे आपले लक्ष वळवू.

जाड प्रभाव

डेम्बर प्रभाव नमुन्याच्या एकसमान प्रदीपन अंतर्गत उद्भवू शकतो, फक्त त्याच्या विरुद्ध बाजूंच्या पृष्ठभागाच्या पुनर्संयोजन दरांमधील फरकामुळे. नमुन्याच्या असमान प्रदीपनसह, इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांच्या प्रसार गुणांक (गतिशीलतेतील फरक) मधील फरकामुळे डेम्बर परिणाम होतो.

स्पंदित प्रदीपनने सुरू केलेला डेम्बर प्रभाव टेराहर्ट्झ श्रेणीमध्ये रेडिएशन निर्माण करण्यासाठी वापरला जातो. उच्च-इलेक्ट्रॉन-गतिशीलता, InSb आणि InAs सारख्या अरुंद-अंतर सेमीकंडक्टरमध्ये डेम्बर प्रभाव सर्वात जास्त दिसून येतो.[banner_adsense]

बॅरियर फोटो-ईएमएफ

गेट किंवा बॅरियर फोटो-ईएमएफ विद्युत क्षेत्राद्वारे इलेक्ट्रॉन आणि छिद्र वेगळे केल्याने परिणाम होतो Schottky अडथळा च्या मेटल-सेमीकंडक्टर संपर्काच्या बाबतीत, तसेच फील्ड p-n-जंक्शन किंवा heterojunction.

पीएन-जंक्शनच्या प्रदेशात थेट निर्माण होणार्‍या दोन्ही चार्ज वाहकांच्या हालचालींमुळे आणि इलेक्ट्रोडच्या जवळच्या प्रदेशात उत्तेजित होणारे आणि प्रसरणाद्वारे मजबूत क्षेत्राच्या प्रदेशात पोहोचणारे वाहक यांच्या हालचालींमुळे येथील विद्युतप्रवाह तयार होतो.

जोडी वेगळे करणे p प्रदेशात छिद्र प्रवाह आणि n प्रदेशात इलेक्ट्रॉन प्रवाह तयार करण्यास प्रोत्साहन देते. जर सर्किट खुले असेल, तर EMF p-n जंक्शनसाठी थेट दिशेने कार्य करते, म्हणून त्याची क्रिया मूळ घटनेची भरपाई करते.

हा प्रभाव कामकाजाचा आधार आहे सौर पेशी आणि कमी प्रतिसाद असलेले अत्यंत संवेदनशील रेडिएशन डिटेक्टर.

व्हॉल्यूमेट्रिक फोटो-ईएमएफ

बल्क फोटो-ईएमएफ, त्याच्या नावाप्रमाणेच, डोपंटच्या एकाग्रतेतील बदलाशी किंवा रासायनिक रचनेत बदल झाल्यास (जर असल्यास सेमीकंडक्टर कंपाऊंड आहे).

येथे, जोड्या वेगळे करण्याचे कारण तथाकथित आहे फर्मी लेव्हलच्या स्थितीत बदल करून तयार केलेले काउंटर इलेक्ट्रिक फील्ड, जे यामधून अशुद्धतेच्या एकाग्रतेवर अवलंबून असते. किंवा, जर आपण जटिल रासायनिक रचना असलेल्या सेमीकंडक्टरबद्दल बोलत असाल, तर जोड्यांचे विभाजन बँडच्या रुंदीतील बदलामुळे होते.

बल्क फोटोइलेक्ट्रिक्स दिसण्याची घटना अर्धसंवाहकांच्या एकसमानतेची डिग्री निश्चित करण्यासाठी त्यांच्या तपासणीस लागू होते. नमुना प्रतिकार देखील inhomogeneities संबंधित आहे.

उच्च व्होल्टेज फोटो-ईएमएफ

असामान्य (उच्च व्होल्टेज) फोटो-ईएमएफ उद्भवते जेव्हा नॉन-एकसमान प्रदीपनमुळे नमुन्याच्या पृष्ठभागावर विद्युत क्षेत्र दिग्दर्शित होते. परिणामी EMF ची विशालता प्रकाशित क्षेत्राच्या लांबीच्या प्रमाणात असेल आणि 1000 व्होल्ट किंवा त्याहून अधिक पोहोचू शकते.

डिफ्यूज करंटमध्ये पृष्ठभाग-दिग्दर्शित घटक असल्यास, किंवा पृष्ठभागावर प्रक्षेपित होणारी p-n-p-n-p रचना तयार केल्यामुळे ही यंत्रणा डेम्बर प्रभावामुळे होऊ शकते. परिणामी उच्च-व्होल्टेज EMF हे असममित n-p आणि p-n जंक्शनच्या प्रत्येक जोडीचे एकूण EMF आहे.

फोटोएपिझोइलेक्ट्रिक प्रभाव

फोटोएपिझोइलेक्ट्रिक इफेक्ट ही नमुना विकृती दरम्यान फोटोकरंट किंवा फोटोएमएफ दिसण्याची घटना आहे. त्याच्या यंत्रणांपैकी एक म्हणजे एकसंध विकृती दरम्यान बल्क ईएमएफ दिसणे, ज्यामुळे सेमीकंडक्टरच्या पॅरामीटर्समध्ये बदल होतो.

फोटोएपिसोइलेक्ट्रिक ईएमएफ दिसण्यासाठी आणखी एक यंत्रणा ट्रान्सव्हर्स डेम्बर ईएमएफ आहे, जी एकअक्षीय विकृती अंतर्गत उद्भवते, ज्यामुळे चार्ज वाहकांच्या प्रसार गुणांकाची एनिसोट्रॉपी होते.

नंतरची यंत्रणा मल्टीव्हॅली सेमीकंडक्टर विकृतींमध्ये सर्वात प्रभावी आहे, ज्यामुळे व्हॅली दरम्यान वाहकांचे पुनर्वितरण होते.

आम्ही पहिल्या प्रकाराचे सर्व फोटोव्होल्टेइक प्रभाव पाहिले आहेत, त्यानंतर आम्ही दुसर्‍या प्रकाराचे गुणधर्म पाहू.

फोटॉनद्वारे इलेक्ट्रॉन आकर्षणाचा प्रभाव

हा प्रभाव फोटॉन्सपासून मिळणाऱ्या गतीवर फोटोइलेक्ट्रॉनच्या वितरणातील असममितीशी संबंधित आहे. ऑप्टिकल मिनीबँड संक्रमणासह द्वि-आयामी संरचनांमध्ये, स्लाइडिंग फोटोकरंट मुख्यत्वे इलेक्ट्रॉन संक्रमणांमुळे एका विशिष्ट गतीच्या दिशेने होते आणि मोठ्या प्रमाणात क्रिस्टल्समधील संबंधित विद्युत् प्रवाह लक्षणीयरीत्या ओलांडू शकते.

रेखीय फोटोव्होल्टेइक प्रभाव

हा परिणाम नमुन्यातील फोटोइलेक्ट्रॉनच्या असममित वितरणामुळे होतो. येथे, विषमता दोन यंत्रणांद्वारे तयार होते, त्यातील पहिली बॅलिस्टिक आहे, क्वांटम संक्रमणादरम्यान नाडीच्या दिशानिर्देशाशी संबंधित आहे आणि दुसरी कातरणे आहे, जे दरम्यान इलेक्ट्रॉनच्या वेव्हपॅकेटच्या गुरुत्वाकर्षणाच्या केंद्राच्या स्थलांतरामुळे होते. क्वांटम संक्रमणे.

रेखीय फोटोव्होल्टेइक प्रभाव फोटॉनपासून इलेक्ट्रॉनमध्ये संवेग हस्तांतरणाशी संबंधित नाही, म्हणून, स्थिर रेखीय ध्रुवीकरणासह, जेव्हा प्रकाशाच्या प्रसाराची दिशा उलट केली जाते तेव्हा ते बदलत नाही. प्रकाश शोषण आणि विखुरणे आणि पुनर्संयोजन या प्रक्रियेमध्ये योगदान देते. वर्तमान (हे योगदान थर्मल समतोल वर भरपाई केली जाते).

हा प्रभाव, डायलेक्ट्रिक्सवर लागू केल्यामुळे, ऑप्टिकल मेमरीची यंत्रणा लागू करणे शक्य होते, कारण यामुळे अपवर्तक निर्देशांकात बदल होतो, जो प्रकाशाच्या तीव्रतेवर अवलंबून असतो आणि तो बंद केल्यानंतरही चालू राहतो.

गोलाकार फोटोव्होल्टेइक प्रभाव

जिरोट्रॉपिक क्रिस्टल्समधून लंबवर्तुळाकार किंवा गोलाकार ध्रुवीकृत प्रकाशाने प्रकाशित केल्यावर परिणाम होतो. जेव्हा ध्रुवीकरण बदलते तेव्हा EMF चिन्ह उलट करतो. प्रभावाचे कारण स्पिन आणि इलेक्ट्रॉन संवेग यांच्यातील संबंधात आहे, जे गायरोट्रॉपिक क्रिस्टल्समध्ये अंतर्भूत आहे. जेव्हा इलेक्ट्रॉन वर्तुळाकार ध्रुवीकृत प्रकाशाने उत्तेजित होतात, तेव्हा त्यांचे स्पिन ऑप्टिकली ओरिएंटेड असतात आणि त्यानुसार दिशात्मक विद्युत् नाडी उद्भवते.

?

विपरित परिणामाची उपस्थिती विद्युत् प्रवाहाच्या कृती अंतर्गत ऑप्टिकल क्रियाकलापांच्या स्वरुपात व्यक्त केली जाते: प्रसारित विद्युत् प्रवाह जायरोट्रॉपिक क्रिस्टल्समधील स्पिनच्या अभिमुखतेस कारणीभूत ठरतो.

शेवटचे तीन प्रभाव इनर्शियल रिसीव्हर्समध्ये सर्व्ह करतात. लेसर विकिरण.

पृष्ठभाग फोटोव्होल्टेइक प्रभाव

प्रकाशाच्या तिरकस घटनांच्या वेळी फोटॉनपासून इलेक्ट्रॉनमध्ये संवेग हस्तांतरित झाल्यामुळे आणि क्रिस्टलच्या पृष्ठभागावर सामान्य फरक असल्यास सामान्य घटनांमध्ये जेव्हा प्रकाश धातू आणि अर्धसंवाहकांमध्ये मुक्त चार्ज वाहकांद्वारे परावर्तित किंवा शोषला जातो तेव्हा पृष्ठभागाचा फोटोव्होल्टेइक प्रभाव उद्भवतो. प्रमुख क्रिस्टल अक्षांपैकी एकाची दिशा.

नमुन्याच्या पृष्ठभागावर प्रकाश-उत्तेजित चार्ज वाहकांच्या विखुरण्याच्या घटनेमध्ये परिणाम होतो. इंटरबँड शोषणाच्या बाबतीत, उत्तेजित वाहकांचा महत्त्वपूर्ण अंश विखुरल्याशिवाय पृष्ठभागावर पोहोचतो अशा स्थितीत उद्भवते.

म्हणून जेव्हा इलेक्ट्रॉन पृष्ठभागावरून परावर्तित होतात, तेव्हा एक बॅलिस्टिक प्रवाह तयार होतो, पृष्ठभागावर लंब दिग्दर्शित केला जातो. जर, उत्तेजित झाल्यावर, इलेक्ट्रॉन्स स्वतःला जडत्वात व्यवस्थित करतात, तर पृष्ठभागावर निर्देशित केलेला विद्युत् प्रवाह दिसू शकतो.

या प्रभावाच्या घटनेची स्थिती म्हणजे पृष्ठभागावर फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉन्ससाठी "पृष्ठभागाकडे" आणि "पृष्ठापासून" गतीच्या सरासरी मूल्यांच्या शून्य नसलेल्या घटकांच्या चिन्हातील फरक. अट पूर्ण केली जाते, उदाहरणार्थ, क्यूबिक क्रिस्टल्समध्ये, चार्ज वाहकांच्या उत्तेजित व्हॅलेन्स बँडपासून ते कंडक्शन बँडपर्यंत.

पृष्ठभागाद्वारे पसरलेल्या विखुरण्यामध्ये, त्याच्यापर्यंत पोहोचणारे इलेक्ट्रॉन पृष्ठभागावरील गतीचा घटक गमावतात, तर पृष्ठभागापासून दूर जाणारे इलेक्ट्रॉन ते टिकवून ठेवतात. यामुळे पृष्ठभागावर विद्युतप्रवाह दिसू लागतो.