p3 / НЕ 1.3. Лекця 3.Типи оптичних переходв та порвняльн спектральн характеристики коеф. поглинання для рзних нпdoc

Лекція 3.

Тема: Прямі і непрямі переходи. Правила відбору. Основні співвідношення. Спектральна залежність коефіцієнта поглинання для для основних напівпровідникових матеріалів( Ge, Si, GaAs, CdTe, InP ).

План лекційного матеріалу:

• Прямі і непрямі переходи.

• Правила відбору.

• Основні співвідношення для коефіцієнта поглинання для прямих і непрямих переходів.

• Спектральна залежність коефіцієнта поглинання напівпровідника

• Порівняльні характеристики спектральних залежностей для різних напівпровідників

• Враховування особливостей спектральних характеристик коефіцієнта поглинання при розробці СЕ.

Опорний конспект змісту лекцій

Інтенсивність оптичної генерації

Нехай на поверхню напівпровідника падає потік світлових квантів з однаковою енергією hv, де v – частота випромінювання. Позначимо через Ф₀ – кількість квантів, що пересікають одиницю площі поверхні напівпровідникової пластинки за одиницю часу в напрямку х, перпендикулярному до поверхні напівпровідника. Через площину, яка знаходиться на відстані х від поверхні кристалу, пройде

(4.1)

світлових квантів ( закон Бугер-Ламберта ).

Зменшення потоку світлових квантів на шляху dx рівне

(4.2)

Таким чином, кількість квантів, що поглинаються в одиниці об’єму кристалу за одиницю часу, складе

. (4.3)

Поглинутий світловий квант приводить у середньому до утворення β нерівноважних електронно-діркових пар. Коефіцієнт β називається квантовим виходом внутрішнього фотоефекту.

Тепер можна ввести поняття швидкості оптичної генерації нерівноважних носіїв заряду g(x). Величина

g(x)= α βФ(х) (4.4)

визначає число електронно-діркових пар, що генеруються світлом в одиниці об’єму кристалу за одиницю часу.

Зауважимо, що значення величини β залежить від енергії фотонів. При опроміненні напівпровідника фотонами, енергія яких змінюється в межах від значень, що відповідають ширині забороненої зони Е_g напівпровідника до 2Е_g, коефіцієнт β дорівнює одиниці. При більших значеннях енергії фотонів величина β починає збільшуватися (β > 1), що пояснюється вторинними ефектами, викликаними ударною іонізацією атомів напівпровідника.

Рис. Залежність коефіцієнта поглинання монокристалів кремнію (1) та арсеніду галію (2) від енергії фотонів падаючого випромінювання при кімнатній температурі.

Як видно із приведеного рисунка залежності коефіцієнта поглинання від енергії фотонів для двох відомих матеріалів мають різний характер поведінки, який можна пояснити відмінністю в їх зонній структурі і характері міжзонних переходів. В арсеніді галію переходи зона-зона прямі оптичні, поглинання різко збільшується при появі в спектрі випромінювання фотонів із енергіями, що переважають ширину забороненої зони GaAs і коефіцієнт поглинання а різко зростає і досягає значень 10⁴-10⁵ см^-1.

Поглинання в кремнії (крива 1) в основній полосі починається з непрямих переходів при Е=1.1еВ за участю як квантів світла, так і квантів коливань гратки – фононів( третьої частинки), коефіцієнт поглинання зростає порівняно мало до значень 10³-10⁴ см^-1 . І тільки при енергіях фотонів біля 2.5 еВ переходи зона-зона стають прямими: поглинання різко зростає.

Для германію також характерні непрямі оптичні переходи, що починаються при 0.62 еВ( при величині а від 1 до 10² см^-1) і тільки при енергії фотонів більше 0.81 еВ основне поглинання починає визначатися прямими переходами.

Приведені спектральні залежності α(hν) показують, що застосовуючи кремній можна використовувати для перетворення в електричну енергію більшу частину сонячного спектру(λ >=1.1мкм), тобто майже 74% енергії позаатмосферного сонячного випромінювання. Для GaAs же фотоактивним(здатним перекинути електрони через заборонену зону) є випромінювання з λ <= 0.9 мкм і, внаслідок цього, лише 63% енергії Сонця в позаатмосферних умовах може бути перетворене в електричну енергію. Однак через непрямі оптичні переходи і малі значення коефіцієнта поглинання в області краю основного поглинання, товщина кремнієвої пластини сонячного елемента, що поглинає все фотоактивне випромінювання, повинна бути не меншою за 250 мкм, в той час як для арсеніду галію аналогічна товщина СЕ може бути набагато меншою – 2-5 мкм. Зрозуміло, що цю особливість спектральних характеристик коефіцієнта поглинання необхідно враховувати при розробці високоефективних і дешевих тонко плівкових СЕ.

Таким чином дослідження спектрів поглинання в