Поглощение света в полупроводниках

Катализ первого класса, сокращенно называемый электронным катализом , осуществляется на твердых телах — проводниках электрического тока (металлах и полупроводниках). Эти тела обладают рядом общих физико-химических свойств, связанных с наличием в них подвижных электронов. Для тел-проводников характерна электропроводность, окраска (т. е. заметное поглощение света в видимой области спектра), термоэлектронная эмиссия и внешний фотоэффект. К этому классу относятся каталитические реакции окисления, восстановления, гидрирования, дегидрирования, объединяемые в тип гемолитических. Все они сопровождаются разделением электронов в электронных парах молекул. Общий механизм действия катализатора сводится при этом к облегчению электронных переходов в реагирующих молекулах за счет собственных электронов катализатора. [c.13]

Примесное поглощение. За счет энергии падающего на кристалл света происходит также возбуждение примесных атомов. Для определения минимальной частоты, начиная с которой происходит такое возбуждение, в формулу (125) вместо ширины запрещенной зоны следует подставить значение энергии активации данной примеси. При этом очевидно, что примесное поглощение происходит при более низких частотах, чем собственное. Ясно также, что в результате возбуждения примесных атомов образуются не два носителя заряда, как это было при собственном поглощении, а один носитель и один ионизованный атом примеси. Заметим, что поскольку при обычных температурах легирующие примеси в большинстве полупроводниковых материалов практически полностью ионизованы, то поглощение света этими примесями возможно только при очень низкой температуре. Поэтому при обычных температурах примесное поглощение происходит в основном за счет ионизации ловушек, лежащих в средней части запрещенной зоны. Такая ионизация может привести к резкому изменению коэффициента рекомбинации [так как она определяет величины С и С" из уравнений (110) и (111)1. Это явление часто наблюдается на практике, причем освещение полупроводника, в котором имеются уровни прилипания, приводит к существенному уменьшению скорости процесса генерации—рекомбинации. [c.151]

ЭЛЕКТРОХИМИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, изучает строение границы раздела полупроводник электролит и ( жз.-хнм. процессы на этой границе. Особенности этих процессов обусловлены наличием двух видов подвижных носителей заряда — электронов зоны проводимости и положительно заряж. дырок валентной зоны. Электроны и дырки участвуют в электродных процессах независимо друг от друга. Объемная конц. носителей заряда в полупроводниках мала по сравнению с металлами (менее 10 см ), поэтому полупроводниковая обкладка двойного электрич. слоя диффузна, значит, часть межфазного скачка потенциала локализована в полупроводнике. Токи обмена в электродных процессах малы, электродные р-ции обычно необратимы в р-циях возможно участие связанных состояний электронов н дырок (экситонов). Для электрохим. кинетики существенны диффуз. ограничения, связанные с доставкой электронов или дырок к границе раздела электрод электро-лит. Для полупроводниковых электродов характерна высокая фоточувствительность, причем поглощенный свет ускоряет преим. анодную р-цию на электронном полупроводнике и катодную — на дырочном. Генерация неравновесных электронов и дырок, возможная при электрохим. р-циях, может привести к хемилюминесценции. [c.706]

За счет энергии света может происходить изменение потенциальной и кинетической энергии любых входящих в состав данного тела частиц. Естественно, что по закону сохранения энергии при этом происходит поглощение квантов падающего на данное тело света. Если таким телом является полупроводник, то поглощение света может быть связано с изменением концентрации носителей заряда, а следовательно, с изменением удельной проводимости освещаемого тела. При этом различают несколько видов поглощения. Рассмотрим наиболее важные из них. [c.150]

Если в результате поглощения света полупроводником образуются подвижная дырка и связанный электрон, то дырки движутся в металл, который в результате этого заряжается. Если носителем является отрицательный электрон, то металл и в этом случае может принять этот носитель, но заряжается отрицательно. Следовательно, знак заряда носителя можно определить по знаку фотонапряжения. Для полупроводника с собственной проводимостью фотонапряжение равно нулю. [c.706]

При измерения спектров данным методом пучок ИК-излучения направляется под уг юм на поверхность пластины полупроводника, прозрачней в ИК-области, проходит внутрь пластины и отра.жается от металла, проходя при этом через исследуемый слои и поглощаясь в нем на частотах, соответствующих веществу слоя. Фактор поглощения излучения AR в слое определяется оптическими постоянными мета. 1ла (пз, з), слоя ( 2, з), показателем преломления полупроводника Пи углом падения излучения на границу раздела полупроводник — металл и направлением его поляризации. Максимальное значение факторов поглощения так же, как и для поглощения света в слое на поверхности металла, достигается при наклонных углах падения и в /з-поляризованном излучении. [c.153]

В полупроводнике, представляющем собой химическое соединение, свободных носителей тока нет. Только тепловое движение, поглощение света или другие энергетические факторы приводят к возбуждению электронов и делают вещество проводником электричества. Тепловое движение ослабевает с понижением температуры, соответственно убывает и электропроводность полупроводников, падая до нуля. При достаточно низкой температуре полупроводник становится изолятором, и резкой границы между ними нет. В то же время металл нельзя превратить в проводники другого типа термической обработкой. [c.160]

Прозрачность полупроводников в области длин волн, лежащих за краем собственного поглощения, чаще всего проявляется лишь в образцах, в достаточной степени очищенных от примесей, когда поглощение света свободными носителями тока становится почти незаметным на фоне собственного поглощения. Например, в хорошо очищенном германии коэффициент поглощения ii в области спектра, лежащего непосредственно за краем собственного поглощения (A, > 0,6 мкм), может принимать значение, намного меньшее, чем 0,1 см При наличии достаточного количества примесей полупроводники становятся непрозрачными во всей области спектра частот — от ультрафиолетовой вплоть до радиочастот [4 ]. [c.404]

Зонная структура электронных энергетических уровней в полупроводниках имеет промежуточный характер между описанными выше для проводников (металлов) и изоляторов (ионных и ковалентных твердых веществ). Особенность полупроводников заключается в том, что у них сравнительно небольшая ширина запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости. Вследствие этого даже при довольно незначительном повышении температуры электроны получают возможность перескакивать через запрещенную зону и оказываются в зоне проводимости. В некоторых случаях переход электронов в зону проводимости осуществляется в результате поглощения света, что приводит к появлению фотопроводимости (см. рисунок). [c.391]

Так же как водородный атом, центры, изображенные на рис. 11 (I и И), могут быть ионизированы, если они поглощают достаточную энергию. Электроны, освобожденные в этом процессе, являются квазисвободными в кристалле и могут принимать участие в электронной проводимости. Если энергия для ионизации центров получается в основном вследствие поглощения света, явление называется фотопроводимостью. Если, с другой стороны, ловушка, образованная дефектом решетки, имеет малую глубину, так что достаточно одной тепловой энергии для освобождения электрона, то кристалл с нестехиометрией типа I или II обнаруживает электронную проводимость, которая возрастает с температурой, согласно закону Больцмана, описывающему вероятность термической ионизации. В таком случае кристалл является полупроводником. [c.69]

Коэффициент поглои ения света. Полупроводники, как и металлы, сильно поглощают свет в видимой области спектра и имеют здесь большой коэффициент поглощения. Для чистых полупроводников при определенной длине волны падающего света коэффициент поглощения резко убывает, и материал становится прозрачным со стороны более длинных волн. Этот участок быстрого спада поглощения называется краем собственного поглощения. Присутствие в полупроводнике большого количества примесей делают его непрозрачным по всей области спектра частот — от ультрафиолетовой вплоть до радиочастот. Если частота падающего света такова, что осуществляются переходы электронов из валентной зоны в зону проводимости, то для данной области частот будет наблюдаться большой рост поглощения. Собственное поглощение и обусловлено переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости поглощением фотона. Длина волны и частота v , соответствующие краю собственного поглощения, приближенно определяются условиями [c.53]

Установившийся в полупроводнике переменный ток обязан свободным зарядам, диффундирующим в направлении светового пучка вследствие градиента их концентрации, вызванного поглощением света в полупроводнике (уменьшением его интенсивности). Возникающая в результате на пластинах конденсатора переменная разность потенциалов после усиления и выпрямления измеряется на выходе гальванометром 10 а и катодным вольтметром как функция длины волны падающего света. [c.205]

Методы переменной фотоэдс и фотопроводимости в постоянном и переменном поле использовались нами для изучения спектральной сенсибилизации неорганических п- и р-полупроводников при поглощении света молекулами красителей на их поверхности. Эти результаты подробно описаны в литературе [13,16, 17, 33, [c.337]

Обнаруживается экситон Ванье-Мотта по спектрам поглощения света полупроводниками. [c.307]

Интересно отметить, что не только отдельные молекулы красителей, но также целые частицы красителя могут выступать в роли сенсибилизатора, перенося энергию поглощения света электронам, захваченным поверхностью неорганического полупроводника. [c.337]

Mg2 8n Кубическая 1,0 2,92 Диэлектрики или полупроводники Сильное поглощение света с энергиями выще края поглощения [c.73]

Поглощение света в полупроводниках [c.263]

Поглощение света веществом — внутримолекулярный физический процесс. Свет поглощается молекулами (их комплексами, атомами, радикалами, ионами), а не сложными биологическими структурами, такими, например, как ядра, митохондрии, клетки, сетчатка глаза. Исключение составляют лишь полупроводники, у которых в поглощении света участвуют обобществленные энергетические уровни, создающиеся в результате взаимодействия многих центров (атомов, ионов или молекул). Во взаимодействии вещества со светом, связанном с поглощением, проявляются как квантовые (корпускулярные), так и волновые свойства последнего. [c.8]

Мы все время говорим о термодинамической, равновесной гибкости макромолекул, определяемой величиной АЕ. Кинетическая гибкость, характеризующая поведение макромолекулы. во времени, т. е. скорость конформационного превращения, зависит главным образом не от АЕ, а от высоты энергетического барьера, разделяющего различающиеся конформации. И термодинамическая, и кинетическая гибкости варьируют в широких пределах. Макромолекулы, построенные из сопряженных л-связей или из сопряженных ароматических колец, являются жесткими — они лишены конформационной подвижности. В отличие от макромолекул с а-связями (полиэтилен, каучук), сопряженные цепи являются своего рода л-электроннымн полупроводниками. С этим связано поглощение света в длинноволновой области — соответствующие полимеры практически черны. Гибкость и полупроводниковые свойства макромолекул не совместимы. [c.73]

В принципе все физические свойства кристаллов зависят от их структуры и, следовательно, от дефектности решетки. Однако не все свойства в равной мере чувствительны к наличию дефектов. Обычно число равновесных дефектов относительно невелико, поэтому к мало чувствительным свойствам относятся все те, которые зависят только от средних значений молекулярных параметров частиц в решетке. Сюда относятся такие термодинамические свойства, как теплоемкость и энергия кристаллов. Более чувствительны к наличию дефектов оптические свойства кристаллов в области основной полосы поглощения. Высокочувствительны те физические свойства, которые практически полностью определяются наличием отдельных дефектов в кристаллической решетйе — диффузия в кристаллах, электропроводность примесных полупроводников, поглощение света вне основной полосы поглощения, люминесценция, некоторые магнитные свойства, скорость химических реакций в кристаллах. Для химии большое значение имеет равновесная нестехиометричность ионных кристаллов, возникающая в связи с появлением в решетке структурных дефектов. [c.271]

Теперь мы можем понять, как действует переход на границе полупроводник — жидкость. Когда полупроводниковый электрод погружен в содержащий окислительно-восстановительную пару (редокс-пару) раствор, химические потенциалы электрода и раствора должны быть одинаковыми, если не приложена внешняя сила. Тогда зоны в полупроводнике искривляются так, чтобы привести в соответствие уровень Ферми и окислительновосстановительный потенциал (редокс-потенциал). Направление искривления зависит от конкретной системы, но для материалов л- и р-типов искривление обычно происходит в направлении, показанном на рис. 8.19, а и в. Освещение поверхности электрода может приводить к переводу электронов из валентной зоны в зону проводимости. Градиенты поля на границе раздела электрод — жидкость будут способствовать, как и в случае твердотельного полупроводникового перехода, разделению вновь образующихся электронов и дырок. В случае направленного вверх изгиба, как на рис. 8.19, а, электроны движутся в глубь полупроводника, а дырки покидают поверхность раздела и уходят в раствор для окисления редокс-пары. Если затем внешней цепью соединяются полупроводниковый электрод и лротйвоэлектрод, также погруженный в раствор, то электроны будут течь от полупроводникового к противоэлектроду (восстанавливая ионы в растворе вблизи него). Таким образом, полупроводниковый электрод становится фотоанодом (рис. 8.19,6). Вследствие электрохимического потенциала /р, возникающего благодаря вентильному фотоэффекту, потенциал Ферми и редокс-потенциал становятся разделенными барьером 11 . На рис. 8.19, г показана аналогичная энергетическая диаграмма для поглощения света материалом р-типа, из которого электроны уходят в раствор, восстанавливая редокс-пару. В этом случае полупроводниковый электрод является фотокатодом. [c.277]

Влияние дислокаций и других дефектов сказывается не только на росте кристалла и его механических свойствах, но и на электрических свойствах полупроводников, так как вызывают рассеяние носителей заряда. Дефекты решетки сильно влияют на оптические свойства некоторых кристаллов. Например, вакансии в анионной подрешетке галидов щелочных металлов являются центрами притяжения электронов. Когда в места таких вакансий попадают электроны, то возникают так называемые F-центры, вследствие чего бесцветные прозрачные кристаллы (Na l и др.) приобретают синюю или пурпурную окраску из-за поглощения света электронами, захваченными де ктами решетки. [c.146]

Прямой фотолиз воды требует использования света с энергией квантов 6 эВ, которых практически нет в солнечном спектре. Одним из методов многоступенчатого процесса использования света с меньшей энергией квантов является процесс фотоэлектрохимического разложения воды. Фотоэлек-трохнмические устройства [513] для преобразования солнечной энергии делятся на две группы в зависимости от того, где именно происходит поглощение света и, следовательно, первичный фотопроцесс в растворе (это так называемые фотогальванические элементы) или на электроде. Фотогальвани-ческие элементы имеют КПД в несколько процентов, поэтому их практическое использование пока имеет малую перспективу. Основным объектом исследования стали фотоэлектрохимическне элементы с полупроводниковыми электродами. Как показали исследования, требования к совершенству кристаллической структуры полупроводника в случае фотоэлектрохимических элементов менее жестки, чем в случае с твердотельными полупроводниковыми преобразователями энергии (солнечными батареями), что и послужило основной причиной широкого развития работ по фотоэлектрохимическим элементам с электродами из полупроводников [513]. [c.338]

Закись меди является типичным примером окислов, проявляющих нестехиометричность типа IV. Она является полупроводником р-типа ее проводимость при постоянной температуре увеличивается при увеличении содержания кислорода, и энергия, нужная для освобождения положительной дырки, составляет от 0,2 до 0,3 эв. Сообщалось также о полосе поглощения в инфракрасной области около 2 д,, обусловленной дефектами [51]. Полосы поглощения света, возникающие из-за наличия дефектов в кристаллах с несте-хиометричностью типа IV, были наиболее тщательно изучены при проведении опытов с галогенидами щелочных металлов. Кристаллы этих солей, содержащие избыток галогена (например, КВг с избытком брома), имеют характерные полосы поглощения в близкой ультрафиолетовой области. Эти полосы, впервые исследованные Моллво [52], известны под названием У-полос, и хотя связь каждой полосы с различными возможными типами центров поглощения еще не установлена, несомненно, что появление одной из них вызывается центрами, которые в противоположность / -центрам образуются при захвате положительной дырки вакансией катиона. [c.70]

Другой перспективный подход к использованию солнечной энергии — это непосредственное превращение солнечного света в электрическую или химическую энергию посредством электрохимических устройств. Недавние успехи в электрохимии способствовали нашему продвижению к этой цели. В фотоэлектрохимиче-ской ячейке один или оба электрода изготавливаются из светопоглощающих полупроводников. Поглощение света индуцирует окислительно-восстановительную реакцию на поверхности раздела электрод/электролит и приводит к появлению тока во внешней цепи. Другой подход предполагает проведение процесса [c.72]

В полупроводниках имеются также примесные уровни, значительно удаленные и от начала зоны проводимости и от конца валентной зоны. Эти глубокие уровни могут быть как донорами, так и акцепторами электронов. Поскольку их энергия ионизации велика, они не вносят существенного вклада в концентрацию носителей за счет обычной термической ионизации, но могут служить ловушками (такими же, как неглубокие уровни обычных примесей) при компенсации избыточных доноров и акцепторов или же центрами рекомбинации в полупроводниках. Иногда, например при поглощении света, электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к избыточной, неравновесной концентрации носителей, электронов и дырок, которые в конечном итоге рекомбинируют. При малых избыточных концентрациях скорость рекомбинации пропорциональна концентрации носителей, и их число убывает во времени по закону, где т —константа, называемая ереляжызнм. Время жизни при прямой рекомбинации может быть довольно большим вследствие необходимости одновременного выполнения двух законов сохранения энергии и импульса. Поэтому часто рекомбинация протекает с большей скоростью путем захвата носителей одного знака атомами примесей с более глубокими уровнями и последующей рекомбинацией носителями противоположного знака. Примером примесных уровней, которые служат центрами рекомбинации, являются уровни меди и никеля в германии. Процесс рекомбинации чрезвычайно чувствителен к наличию определенных примесей одна часть никеля на миллиард частей германия уменьшает время жизни носителей на один-два порядка. [c.74]

Фотоэлементы. Фотоэлементами называют устройства, преобразующие световую энергию в электрическую. Действие фотоэлементов основано на использовании фотоэффекта. Различают внешний и внутренний фотоэффекты. При внешнем фотоэффекте поглощение света приводит к отрыву электрона с облучаемой поверхности. Внутренний фотоэффект характеризуется увеличением электрической проводимости вещества под действием света. Если внутренний фотоэффект проявляется вблизи граничного слоя между двумя полупроводниками или полупроводником и металлом, то возникает фотоЭДС. Это явление иногда выделяют в особый вид фотоэффекта и называют фотогальваническим эффектом или эффектом запорного (запирающего) слоя. [c.25]

В заключение еще раз подчеркнем, что рассмотренный механизм влияния освещения на адсорбционную способность и каталитическую активность полупроводника относится к тому случаю, когда поглощение света обогащает кристалл свободными электронами или дырками (или теми и другими одновременно). Это, однако, не всегда имеет место. В некоторых случаях поглощение света в кристалле может иметь экситонный механизм. С таким механизмом мы встречаемся, по-видимому, в области собственного поглощения, которое, как правило, фотоэлектрически неактивно. [c.141]

Освещение также влияет на адсорбционную способность и каталитическую активность полупроводника. Поглощенный свет изменяет концентрацию электронного и дырочного газа , а, ц ледовательно, и содержание различных форм прочной хемал- орбции. Это вызывает соответствующие изменения адсорбции м катализа, обнаруженные экспериментально [142—146]. [c.618]

Первоначально конденсаторная фотоэдс объяснялась как результат диффузии носителей фототока в полупроводнике из-за градиента их концентрации, созданного поглощенным светом (эдс Дембера) [1—5]. Однако позже было высказано предположение [6, 7], что конденсаторная фотоэдс имеет природу вентильной эдс, а именно целиком связана с наличием граничного искривления зон и с биполярной фотопроводимостью. Отсюда был сделан вывод, что конденсаторный метод не может применяться для определения знака заряда носителей фототока в полупроводниках. Однако нам представляется, что оснований для таких заключений, по существу, не было. Анализ условий формирования спектра фотоэдс и в особенности подробное рассмотрение свойств конденсаторного фотоответа в области слабого поглощения, по нашему мнению, позволяют объяснить значительную часть результатов теорией, основанной лишь на явлении монополярной фотопроводимости. В связи с этим следует особенно тщательно рассмотреть явление переполюсовки конденсаторной фотоэдс, заклю- [c.309]

Этот факт означает, что влияние внешних л-электронных оболочек в молекулярной решетке не имеет места в такой степени, чтобы образовать общую электронную систему. В этом отношении молекулярные полупроводники типа красителей отличаются от неорганических наличием более узких полос проводимости, едва заметных в спектре. Как в случае с молекулярными кристаллами полициклических ароматических углеводородов, основной процесс поглощения света в твердом красителе не заключается в возбуждении молекул решетки. Аналогично можно предположить, что возбуждающий квант в красителях путешествует как экситон в ансамбле тесно связанных молекул, пока или структурный дефект (обычно поверхность микрокристалла), или связанный центр не встретится с ним, в результате чего один или два заряда экситона становятся свободными. В случае красителей с полупроводимостью р-типа экситон распадается на примесном центре (Од) с образованием захваченного электрона и положительной дырки, которая попадает в валентную зону молекулярной решетки. Итак, мы находим здесь межмолекулярный электронный обмен, аналогичный тому, который имеет место е еоотйеТствующимй элёктрйЖбдонор-ными и электроноакцепторййми молекулами в органических окислительно-восстановительных процессах. [c.340]

При освещении светом с энергией квантов больше энергии электронного возбуждения полупроводника его электронная система приходит в неравновесное состояние. Энергия возбуждения межзонных переходов равна ширине запрещенной зоны (или несколько превышает ее). Поглотив квант сжета, электрон валентной зоны переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остается дырка (рис. 3, переход 1). Неравновесные носители при таком процессе генерируются парами, так что Ди = ap-, здесь Ди и Др-избыточные по отношению к равновесным ( о и Ро) концентращ1и электронов и дырок, т. е. и = + Ди, р = ро + is,p, где и и р-концентрации электронов и дырок в освещаемом полупроводнике. Этот вид поглощения света называется собственным поглощением. [c.19]