Hiệu ứng quang điện và các giống của nó

Lần đầu tiên, cái gọi là hiệu ứng quang điện (hay quang điện) được quan sát thấy vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre Edmond Becquerel.

Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm của cha mình, ông phát hiện ra rằng bằng cách chiếu sáng các tấm bạch kim được ngâm trong dung dịch điện phân, một điện kế được nối với các tấm cho biết sự hiện diện của suất điện động… Chẳng bao lâu sau, chàng trai mười chín tuổi Edmund đã tìm thấy một ứng dụng hữu ích cho khám phá của mình — anh ta đã tạo ra một máy đo tốc độ — một thiết bị để ghi lại cường độ của ánh sáng tới.

Ngày nay, hiệu ứng quang điện bao gồm cả một nhóm hiện tượng, bằng cách này hay cách khác, liên quan đến sự xuất hiện của dòng điện trong một mạch kín, bao gồm một mẫu bán dẫn hoặc điện môi được chiếu sáng, hoặc hiện tượng EMF trên một mẫu được chiếu sáng, nếu hở mạch ngoài. Trong trường hợp này, hai loại hiệu ứng quang điện được phân biệt.

Loại hiệu ứng quang điện đầu tiên bao gồm: quang điện EMF cao, quang điện tử âm lượng, quang điện từ van, cũng như hiệu ứng quang điện và hiệu ứng Dember.

Hiệu ứng quang điện loại thứ hai bao gồm: hiệu ứng cuốn electron bởi photon, cũng như hiệu ứng quang điện bề mặt, tròn và tuyến tính.

Ảnh hưởng của loại thứ nhất và thứ hai

Hiệu ứng quang điện thuộc loại thứ nhất được gây ra bởi một quá trình trong đó hiệu ứng ánh sáng tạo ra các hạt mang điện di động có hai ký tự — electron và lỗ trống, dẫn đến sự phân tách của chúng trong không gian của mẫu.

Khả năng phân tách trong trường hợp này liên quan đến tính không đồng nhất của mẫu (bề mặt của nó có thể được coi là tính không đồng nhất của mẫu) hoặc tính không đồng nhất của ánh sáng khi ánh sáng được hấp thụ gần bề mặt hoặc khi chỉ một phần của bề mặt mẫu được chiếu sáng , do đó EMF phát sinh do sự gia tăng tốc độ chuyển động nhiệt của các electron dưới tác động của ánh sáng chiếu vào chúng.

Hiệu ứng quang điện của loại thứ hai có liên quan đến sự bất đối xứng của các quá trình kích thích cơ bản của các hạt mang điện bằng ánh sáng, sự bất đối xứng của sự tán xạ và tái hợp của chúng.

Các hiệu ứng loại này xuất hiện mà không có sự hình thành bổ sung của các cặp hạt mang điện trái dấu, chúng được gây ra bởi sự chuyển tiếp giữa các dải hoặc có thể liên quan đến sự kích thích của các hạt mang điện bởi tạp chất, ngoài ra, chúng có thể được gây ra bởi sự hấp thụ năng lượng ánh sáng của các nhà cung cấp dịch vụ miễn phí.

Tiếp theo, hãy xem cơ chế của hiệu ứng quang điện. Đầu tiên chúng ta sẽ xem xét các hiệu ứng quang điện thuộc loại thứ nhất, sau đó chuyển sự chú ý sang các hiệu ứng của loại thứ hai.

hiệu ứng dày hơn

Hiệu ứng Dember có thể xảy ra dưới sự chiếu sáng đồng đều của mẫu, đơn giản là do sự khác biệt về tốc độ tái hợp bề mặt ở các mặt đối diện của nó. Với sự chiếu sáng không đồng đều của mẫu, hiệu ứng Dember được gây ra bởi sự khác biệt về hệ số khuếch tán (sự khác biệt về tính di động) của các electron và lỗ trống.

Hiệu ứng Dember, bắt đầu bằng sự chiếu sáng xung, được sử dụng để tạo ra bức xạ trong phạm vi terahertz. Hiệu ứng Dember rõ rệt nhất ở các chất bán dẫn có khe hở hẹp, độ linh động điện tử cao như InSb và InAs.[banner_adsense]

Ảnh rào cản-EMF

Cổng hoặc rào cản ảnh-EMF là kết quả của sự phân tách các electron và lỗ trống bằng điện trường của hàng rào Schottky trong trường hợp tiếp xúc bán dẫn kim loại, cũng như trường ngã ba p-n hoặc dị thể.

Dòng điện ở đây được hình thành do sự chuyển động của cả hai hạt mang điện được tạo ra trực tiếp trong vùng tiếp giáp pn và những hạt mang điện được kích thích ở các vùng gần điện cực và đến vùng của trường mạnh bằng sự khuếch tán.

Sự tách cặp thúc đẩy sự hình thành dòng lỗ trống trong vùng p và dòng electron trong vùng n. Nếu mạch hở, thì EMF hoạt động theo hướng trực tiếp cho tiếp giáp p-n, do đó hoạt động của nó sẽ bù cho hiện tượng ban đầu.

Hiệu ứng này là cơ sở của hoạt động pin mặt trời và các máy dò bức xạ có độ nhạy cao với độ phản hồi thấp.

Ảnh thể tích-EMF

Ảnh EMF hàng loạt, như tên gọi của nó, phát sinh do sự phân tách các cặp hạt mang điện trong phần lớn mẫu ở độ không đồng nhất liên quan đến sự thay đổi nồng độ của chất pha tạp hoặc thay đổi thành phần hóa học (nếu chất bán dẫn là hợp chất).

Ở đây, lý do tách các cặp được gọi là Một điện trường ngược được tạo ra bởi sự thay đổi vị trí của mức Fermi, do đó phụ thuộc vào nồng độ tạp chất. Hoặc, nếu chúng ta đang nói về một chất bán dẫn có thành phần hóa học phức tạp, thì sự phân tách các cặp là kết quả của sự thay đổi độ rộng dải.

Hiện tượng xuất hiện quang điện khối được áp dụng cho việc thăm dò chất bán dẫn để xác định mức độ đồng nhất của chúng. Điện trở của mẫu cũng liên quan đến tính không đồng nhất.

Ảnh điện áp cao-EMF

Photo-EMF bất thường (điện áp cao) xảy ra khi ánh sáng không đồng đều gây ra một điện trường hướng dọc theo bề mặt của mẫu. Độ lớn của EMF thu được sẽ tỷ lệ thuận với chiều dài của khu vực được chiếu sáng và có thể đạt tới 1000 vôn trở lên.

Cơ chế này có thể được gây ra bởi hiệu ứng Dember, nếu dòng khuếch tán có thành phần hướng bề mặt hoặc do sự hình thành cấu trúc p-n-p-n-p chiếu lên bề mặt. EMF điện áp cao thu được là tổng EMF của mỗi cặp tiếp giáp n-p và p-n không đối xứng.

hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng xuất hiện dòng quang hoặc quang điện trong quá trình biến dạng của mẫu. Một trong những cơ chế của nó là sự xuất hiện của EMF số lượng lớn trong quá trình biến dạng không đồng nhất, dẫn đến sự thay đổi các thông số của chất bán dẫn.

Một cơ chế khác cho sự xuất hiện của EMF quang điện là EMF Dember ngang, xảy ra dưới biến dạng đơn phương, gây ra tính dị hướng của hệ số khuếch tán của các hạt mang điện.

Cơ chế thứ hai có hiệu quả nhất trong các biến dạng chất bán dẫn đa thung lũng, dẫn đến sự phân phối lại các hạt tải điện giữa các thung lũng.

Chúng tôi đã xem xét tất cả các hiệu ứng quang điện của loại thứ nhất, sau đó chúng tôi sẽ xem xét các hiệu ứng được quy cho loại thứ hai.

Hiệu ứng hút electron bởi photon

Hiệu ứng này có liên quan đến sự bất đối xứng trong sự phân bố của các quang điện tử trên động lượng thu được từ các photon. Trong các cấu trúc hai chiều với các chuyển tiếp băng tần nhỏ quang học, dòng quang trượt chủ yếu được gây ra bởi các chuyển đổi điện tử với một hướng động lượng nhất định và có thể vượt quá đáng kể dòng điện tương ứng trong tinh thể khối.

Hiệu ứng quang điện tuyến tính

Hiệu ứng này là do sự phân bố không đối xứng của các quang điện tử trong mẫu. Ở đây, sự bất đối xứng được hình thành bởi hai cơ chế, cơ chế đầu tiên là đạn đạo, liên quan đến tính định hướng của xung trong quá trình chuyển đổi lượng tử, và cơ chế thứ hai là lực cắt, do sự dịch chuyển trọng tâm của gói sóng electron trong quá trình các chuyển tiếp lượng tử.

Hiệu ứng quang điện tuyến tính không liên quan đến sự truyền động lượng từ photon sang electron, do đó, với sự phân cực tuyến tính cố định, nó không thay đổi khi hướng truyền ánh sáng bị đảo ngược. dòng điện (những đóng góp này được bù ở trạng thái cân bằng nhiệt).

Hiệu ứng này, được áp dụng cho chất điện môi, cho phép áp dụng cơ chế bộ nhớ quang học, bởi vì nó dẫn đến sự thay đổi chỉ số khúc xạ, phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và tiếp tục ngay cả sau khi tắt.

Hiệu ứng quang điện tròn

Hiệu ứng xảy ra khi được chiếu sáng bởi ánh sáng phân cực hình elip hoặc hình tròn từ các tinh thể hồi chuyển. EMF đảo ngược dấu hiệu khi sự phân cực thay đổi. Nguyên nhân của hiệu ứng nằm ở mối quan hệ giữa spin và động lượng của electron vốn có trong tinh thể con quay hồi chuyển. Khi các electron bị kích thích bởi ánh sáng phân cực tròn, spin của chúng được định hướng quang học, và do đó, một xung dòng điện có hướng xảy ra.

?

Sự hiện diện của hiệu ứng ngược lại được thể hiện ở sự xuất hiện của hoạt động quang học dưới tác động của dòng điện: dòng điện truyền qua gây ra sự định hướng của các spin trong tinh thể hồi chuyển.

Ba hiệu ứng cuối cùng phục vụ trong máy thu quán tính. Bức xạ laser.

Hiệu ứng quang điện bề mặt

Hiệu ứng quang điện bề mặt xảy ra khi ánh sáng bị phản xạ hoặc hấp thụ bởi các hạt mang điện tự do trong kim loại và chất bán dẫn do sự truyền động lượng từ photon sang electron trong quá trình chiếu xiên của ánh sáng và cả trong quá trình tới bình thường nếu pháp tuyến với bề mặt của tinh thể khác nhau hướng từ một trong các trục tinh thể chính.

Hiệu ứng bao gồm hiện tượng tán xạ các hạt mang điện bị kích thích bởi ánh sáng trên bề mặt của mẫu. Trong trường hợp hấp thụ giữa các dải, nó xảy ra trong điều kiện một phần đáng kể các hạt tải điện bị kích thích chạm tới bề mặt mà không bị tán xạ.

Vì vậy, khi các electron bị phản xạ khỏi bề mặt, một dòng điện đạn đạo được hình thành, hướng vuông góc với bề mặt. Nếu khi bị kích thích, các electron tự sắp xếp theo quán tính, thì có thể xuất hiện dòng điện hướng dọc theo bề mặt.

Điều kiện để xảy ra hiệu ứng này là sự khác biệt về dấu của các thành phần khác không của các giá trị trung bình của động lượng "hướng tới bề mặt" và "từ bề mặt" đối với các electron di chuyển dọc theo bề mặt. Điều kiện được đáp ứng, ví dụ, trong tinh thể lập phương, khi kích thích các hạt mang điện tích từ vùng hóa trị suy biến đến vùng dẫn.

Trong tán xạ khuếch tán bởi một bề mặt, các electron đi tới nó sẽ mất thành phần động lượng dọc theo bề mặt, trong khi các electron di chuyển ra khỏi bề mặt giữ lại nó. Điều này dẫn đến sự xuất hiện của một dòng điện trên bề mặt.