УВЕЛИЧЕНИЕ ЧИСЛА НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
При рассмотрении идеальной эффективности фотоэлектрического преобразователя в предыдущем параграфе мы полагали, что фотон с энергией большей, чем ширина запрещенной зоны, приводит к образованию только одной электронно-дырочной пары. Избыточная энергия фотона затрачивается на увеличение кинетической энергии электрона и дырки и быстро рассеивается в виде тепла (термолизуется). Это предположение с достаточной точностью справедливо для фотоэлектрических преобразователей сделанных на основе однородного материала.
Почему же фотон с энергией больше 2 W не приводит к образованию дополнительных электронно-дырочных пар? Одной из причин является то, что фотон неделим и, следовательно, не может разделиться так, чтобы провзаимодейство- вать с двумя атомными связями одновременно. Поэтому при поглощении фотона возникает всего одна электронно-дырочная пара. Однако появившиеся при этом электрические носители заряда в ряде случаев могут приводить к дальнейшей ионизации атомов, создавая дополнительные электронно-дырочные пары. Такая столкновительная ионизация проявляется с довольно низкой эффективностью (менее 1 % в однородном Si) и дает очень небольшой вклад в общее число образованных электронно-дырочных пар (от числа которых и зависит количество носителей заряда).
Относительно недавно было обнаружено, что эффективность столкновитель — ной ионизации может возрасти почти до 100 % в нанокристаллических материалах (например, в PbSe с размерами кристаллов около 5 нм).
Избыток энергии фотона Wph-Wg распределяется между созданными электроном и дыркой в соответствии с их массами. Поскольку в PbSe эти частицы имеют приблизительно одинаковую эффективную массу, то каждая частица приобретает примерно одинаковое количество избыточной энергии: (Wph и для того, чтобы вызывать дальнейшую ионизацию с образованием электронно-дырочных пар, эта энергия должна быть больше, чем Wg.
Таким образом, столкновительная ионизация в селениде свинца будет иметь место только тогда, когда W ь > 3 Wg То есть для обеспечения ионизации требуется энергия фотона, превышающая некоторое пороговое значение.
На рис. 12.3 показано, что, начиная с порогового значения 1Р(1/ Wg, равного примерно трем, эффективность процесса ионизации в соответствии с данными разньп экспериментов увеличивается пропорционально росту избыточной энергии фотона.
Расчеты показывают, что идеальная эффективность фотодиодов из селени — да свинца при облучении солнечным излучением может превышать 60 %, что вызывает большой интерес к данному материалу. Высокое значение эффективности связано с относительно малой шириной запрещенной зоны Wg, которая может «регулироваться» в диапазоне от 0.3 до 1,3 эВ. Таким образом, с учетом возможности использования столкновительной ионизации он может абсорбиро
вать солнечное излучение в широком диапазоне частот — от ближнего инфракрасного до ультрафиолетового. Возможности изменения ширины запрешенной зоны будут обсуждаться в п. 12.4.1.
Для того чтобы лучше разобраться в проблеме увеличения носителей заряда, самостоятельно решите задачу 12.26.